[發(fā)明專利]基于波長調(diào)制技術(shù)的痕量氣體濃度場分布探測方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811583428.8
• 申請日: 2018-12-24
• 公開（公告）號: CN111351769A
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發(fā)明（設計）人: 夏暉暉;李明星;楊晨光;許振宇;陳兵;闞瑞峰;胡邁
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N21/01
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙) 42224
• 代理人: 李佑宏

1.一種基于波長調(diào)制光譜技術(shù)的大范圍痕量氣體濃度場分布探測方法，其特征在于，

采用的探測裝置包括數(shù)據(jù)采集處理單元(7)、工控機(8)及多套組件，每套組件均包括結(jié)構(gòu)和功能均相同的信號發(fā)生單元(1、13)、激光控制單元(2、12)、可調(diào)諧半導體激光器(3、11)、平面反射鏡(4、10)、收發(fā)一體水平掃描主機(5、9)；多套組件中的各收發(fā)一體水平掃描主機(5、9)分別位于探測區(qū)域(14)的不同方位；

所述探測方法包括如下步驟：

(1)、首先根據(jù)待測氣體的種類，從高分辨率分子光譜數(shù)據(jù)庫中選擇相應的測量吸收譜線，確定其中心頻率v₀，線強S(T)，低態(tài)能級值E″；

(2)、針對已確定的目標氣體吸收測量譜線，以可調(diào)諧半導體激光器(3、11)作為檢測光源，同時調(diào)節(jié)激光器控制單元(2、12)的溫度和電流，使可調(diào)諧半導體激光器(3、11)的輸出激光頻率穩(wěn)定在v₀預定范圍內(nèi)；

(3)、信號發(fā)生單元(1、13)產(chǎn)生低頻鋸齒信號和高頻正弦信號，經(jīng)加法器同時輸入到激光控制單元(2、12)中，對可調(diào)諧半導體激光器(3、11)出光頻率進行調(diào)制；

(4)、將可調(diào)諧半導體激光器(3、11)發(fā)出的經(jīng)調(diào)制的激光準直后經(jīng)過平面反射鏡(4、10)反射到達收發(fā)一體水平掃描主機(5、9)，收發(fā)一體水平掃描主機(5、9)實現(xiàn)指定角度的高精度自動旋轉(zhuǎn)，經(jīng)收發(fā)一體水平掃描主機(5、9)發(fā)射出去的激光被探測區(qū)域(14)邊界上的多個不同的角反射鏡(6)接收，并原路返回到達第一收發(fā)一體水平掃描主機(5)中的光電探測器；

其他的每套組件同樣執(zhí)行上述步驟(1)-(4)；

(5)、將多個不同收發(fā)一體水平掃描主機(5、9)中接收到的調(diào)制吸收信號輸送到數(shù)據(jù)采集處理單元(7)，進行2f/1f信號解調(diào)，根據(jù)波長調(diào)制吸收光譜技術(shù)的實驗室標定結(jié)果和2f/1f信號解調(diào)結(jié)果輸出待測氣體濃度數(shù)據(jù)，如下式(1)所示：

X＝k·V_2f/1f (1)

其中，V_2f/1f為測量得到的歸一化2f/1f諧波信號，k為標定系數(shù)；

(6)、對探測區(qū)域(14)進行網(wǎng)格離散化操作，某一條探測光束下目標吸收譜線的積分吸光度表示為其經(jīng)過的所有n個網(wǎng)格的積分吸光度之和，如下式(2)所示：

PXS(T)L＝PS(T)x₁l₁+PS(T)x₂l₂+…+PS(T)x_nl_n (2)

其中，P是壓強，X是單光路測量的路徑平均濃度，S(T)是目標譜線的吸收線強，L是激光束被探測區(qū)域邊界截得的幾何長度，x_n是探測區(qū)域劃分的網(wǎng)格內(nèi)的氣體濃度，l_n是激光束被離散網(wǎng)格截得的幾何長度；

聯(lián)立(1)式和(2)式，推導出歸一化二次諧波信號2f/1f與各個離散網(wǎng)格下組分濃度的關系式，如下式(3)所示：

(7)、根據(jù)至少兩個收發(fā)一體水平掃描主機獲得的不同方位下不同角度處的波長調(diào)制吸收光譜，解調(diào)得到2f/1f信號后，再結(jié)合代數(shù)迭代算法求解以網(wǎng)格內(nèi)的氣體濃度為未知數(shù)的線性方程組，在工控機(8)中反演并畫出大范圍濃度場分布圖像。

2.如權(quán)利要求1所述的基于波長調(diào)制光譜技術(shù)的大范圍痕量氣體濃度場分布探測方法，其特征在于：

在步驟(3)中，經(jīng)調(diào)制后的激光頻率和激光強度分別按如下兩式確定：

其中，t是時間，是低頻鋸齒掃描下的激光中心頻率，隨時間變化，a[cm^-1]為調(diào)制深度，f_m[Hz]為調(diào)制頻率，是激光中心頻率處的平均強度，i₀和i₂分別是歸一化后的線性和非線性強度調(diào)制幅度，是頻率調(diào)制和強度調(diào)制的線性相移，是頻率調(diào)制和強度調(diào)制的非線性相移。