[發明專利]一種掃描激光干涉型光纖聲波鎖相探測系統及方法

有效

• 申請號: 201711233282.X
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN108051400B
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發明（設計）人: 陳珂;于清旭
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

本發明提供了一種掃描激光干涉型光纖聲波鎖相探測系統及方法，屬于微量氣體檢測技術領域。該系統包括光聲激發光源、光調制器、光聲池、光纖傳聲器、寬帶掃描激光光源、光纖環形器、高速波長查詢模塊、鎖相環、方波信號發生器、數字信號處理器和計算機。本發明對寬帶掃描激光光源和高速波長查詢模塊進行同步波長掃描控制和同步光譜采樣控制，將基于光纖掃描激光干涉儀的法布里?珀羅腔長高速同步解調技術與鎖相放大技術結合，實現對微弱光聲信號的高靈敏與高穩定探測。本發明能夠大幅度提高光聲光譜微量氣體檢測的精度和極限靈敏度，為光聲光譜微量氣體檢測提供了一種極具競爭力的技術方案。

技術領域

本發明屬于微量氣體檢測技術領域，涉及一種掃描激光干涉型光纖聲波鎖相探測系統及方法。

背景技術

光聲光譜微量氣體檢測技術以其具有的高靈敏度、小采樣體積等顯著優勢，已在環境污染氣體監測、變壓器油中溶解氣分析和煤礦易燃易爆氣體監測等領域中展現出廣闊的應用前景。

在光聲光譜測量中，氣室中的氣體分子吸收光能發生無輻射躍遷產生熱量變化，引起氣體振動產生聲波。對于極低濃度微量氣體檢測，光聲信號通常僅有微帕量級。根據光聲光譜學的原理，光聲測量的靈敏度正比于聲波探測器的靈敏度。為提高系統檢測極限，文獻Wang Q,Wang J,Li L,et al.An all-optical photoacoustic spectrometer fortrace gas detection[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2011,153(1):214-218設計了一種基于光纖法布里-珀羅干涉儀的小型化傳聲器，并將其應用于光聲光譜微量乙炔氣體測量。聲波敏感膜片的內反射面和光纖端面之間的空氣間隙構成法布里-珀羅腔，聲波作用在膜片表面使腔長產生周期性變化。該方案采用強度解調法，當探測激光的中心波長鎖定在Q點且聲波強度較小時，法布里-珀羅干涉儀工作在線性區，即輸出光強隨聲波作用發生周期性變化。光探測器將光強度信號轉換為電信號后，輸入到鎖相放大器，提高光聲信號檢測的信噪比。然而，溫度等環境因素會引起腔長的漂移，為保證解調系統始終處于線性工作區，激光波長必須隨之動態調整，增加了系統的復雜程度。此外，這種強度解調法普遍存在易受光源功率波動和光路損耗影響而產生的測量誤差增大等問題。文獻Zhang Y,Shibru H,Cooper K L,et al.Miniature fiber-optic multicavity Fabry–Perotinterferometric biosensor[J].Optics letters,2005,30(9):1021-1023采用基于波長查詢儀的掃描激光干涉型解調法對法布里-珀羅腔長進行解調，這種基于光譜測量的相位解調算法不受光源功率波動和光路損耗的影響，可對光纖法布里-珀羅傳感器進行高精度和高穩定性測量。然而，目前的波長查詢儀不能與鎖相放大器進行匹配，無法應用于光聲光譜微弱信號探測中。因而，設計一種基于光纖法布里-珀羅傳聲器的高信噪比、高穩定的光聲鎖相探測系統在光聲光譜微量氣體檢測中具有重要的應用價值。

發明內容

本發明的目的在于提出一種用于光聲光譜的掃描激光干涉型光纖聲波鎖相探測系統及方法，旨在解決基于光纖法布里-珀羅傳聲器的全光學光聲光譜儀中存在的光聲信號解調穩定性較差和精度較低等問題，進一步提高微量氣體探測的檢測靈敏度，為光聲光譜在微量氣體檢測中的應用拓展更大的空間。

本發明的原理如下：將基于光纖掃描激光干涉儀的法布里-珀羅腔長絕對測量技術與鎖相放大技術結合，實現對微弱光聲信號的高靈敏、高穩定和大動態范圍探測。光聲池中待測氣體分子被激發產生的聲波作用于光纖傳聲器使法布里-珀羅腔長產生周期性變化，掃描激光干涉產生的光頻域譜的頻率和相位隨之變化，對掃描激光干涉譜的快速腔長解調即可恢復出聲波信號。鎖相環產生高頻觸發信號對高速波長查詢模塊進行同步采樣控制，實現法布里-珀羅腔長解調信號的頻率與光調制頻率完全相同；數字信號處理器將法布里-珀羅腔長測量值與同頻率的參考信號進行互相關運算，實現鎖相放大功能，提高光聲信號檢測的信噪比。

本發明的技術方案：