一种基于开放光路可调衰荡腔的气体温度及浓度测量方法技术

本发明专利技术提出一种基于开放光路可调衰荡腔的气体温度及浓度测量方法，主要包括激光发生模块、光调制模块、开放式光学衰荡腔模块、信号采集与处理模块、反馈电路模块等；可调谐激光耦合进开放式衰荡腔腔体，通过模式匹配形成周期性的光强衰减信号，根据时域分析的窗口选择减少大颗粒散射导致的异常消光对频域拟合的影响，再变换为频域信号改变衰减系数容差带进行修正，实现大气开放环境中吸收光谱、路径平均温度与组分浓度的测量。本发明专利技术结构简单、系统稳定性高，通过时域分析与频域迭代过滤的方法降低开放环境中气溶胶消光对测量精度的影响，适用于室外便携式测量，在气体检测领域有较高的使用价值和广阔的应用前景。较高的使用价值和广阔的应用前景。较高的使用价值和广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于开放光路可调衰荡腔的气体温度及浓度测量方法
(一)

[0001]本专利技术提出一种基于开放光路可调衰荡腔的气体温度及浓度测量方法，属于光腔衰荡吸收光谱及气体温度、浓度测量

(二)
技术介绍

[0002]随着社会经济的高速发展，工业部门对气体浓度的精密测量以及测量下限提出了更高的要求。痕量气体检测成为一项重大的科学研究课题，广泛应用于工业生产、大气检测、生物医疗、科学研究等各个领域。根据检测方法不同，气体浓度检测技术分为化学检测法和光学检测法。传统化学检测法一般为接触式测量，不仅会干扰待测气体流场，而且易受环境变化和空气扰动的影响。此外，该方法对测量参数的稳定性要求较高，一般无法实现在线实时监测。光学检测技术以吸收光谱技术为主，利用被测气体的吸收光谱信息建立光谱吸收率与气体浓度的关系，避免直接接触气体对测量精度产生影响。光学检测技术具有寿命长，稳定性高、检测速度快、灵敏度高、功耗低和成本低等优点，在气体浓度测量领域广泛使用。
[0003]衰荡腔光谱技术(Cavity ring
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于开放光路可调衰荡腔的气体温度及浓度测量方法，所述系统包括激光发生模块、光调制模块、开放式光学衰荡腔模块、信号采集与处理模块、反馈电路模块等；激光发生模块发射周期调谐的激光信号，使之与衰荡腔模式匹配，产生衰荡信号；反馈电路模块通过比较采集信号与阈值的大小，产生光调制模块的控制信号，实现入射激光的通断切换；可调谐激光与指示光用二分二耦合器耦合，一路用于波长计检测可调谐激光的波长，一路经准直镜准直后入射进开放式光学衰荡腔，可调谐激光在衰荡腔两侧的高反射镜内多次反射，在衰荡腔出射端生成光强衰减信号，用光电探测器将光信号转换成电信号，并将电信号导入采集与处理模块。其特征在于，根据指数衰减系数与吸收率之间的关系，通过时域分析与频域迭代去除大气气溶胶消光对测量精度的影响，具体包括如下步骤：步骤一、当调谐激光与光学衰荡腔腔体满足谐振条件时，频率为v的激光被耦合进由高反射率反射镜组成的开放式衰荡腔中：其中，q为激光纵模的序数，L为光学衰荡腔的腔长；信号发生器产生阶梯形调制信号，并在调制信号上叠加小幅值的正弦波，正弦波幅值大于一个自由光谱范围并小于两个自由光谱范围的调节电压，叠加信号用于调制可调谐二极管激光器的波长，使衰荡腔系统在每个步长处生成振荡周期的衰荡信号；可调谐激光的初始波长由波长计读出，根据自由光谱范围修正各点的频率：v
q
＝v0+FSR
·
q
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)步骤二、可调谐激光从准直镜出射并将光纤光转换为空间光，满足衰荡腔模式匹配的激光在光学衰荡腔内多次反射，由后反射镜透射的光强信号随时间呈指数衰减，光电探测器将光信号转换为电信号，并传输给采集系统，采集到的光强信号I(t)可以表示为：其中，I0为衰荡信号的初始光强，t为时间，c为光速，R为高反射镜的反射率，α(v)为光谱吸收率的系数，在多组分气体条件下，气体总的吸收率可以表示为：其中，n为测量波段包含的气体吸收谱线数，P为测量区域气体压强，X
abs
为待测气体的摩尔分数，S(T,v0)为吸收谱线强度函数，φ
voigt
(v,X
abs
)为吸收谱Voigt线型函数；吸收谱线强度函数S(T,ν0)可以表示为：其中，T为测量温度，ν0为谱线中心频率，T0为参考温度，Q(T)为待测气体分子在温度T下的配分函数，h为普朗克常数，c为光速，E”为能级跃迁的低能态能量，k为玻尔兹曼常数；吸收谱Voigt线型的表达式为：
其中，Δv
D
为多普勒半高宽，a为多普勒展宽和碰撞展...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹章，李心语，徐立军，周文彬，李雪娇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：