[發明專利]一種應用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探測系統及探測方法

有效

• 申請號: 201910146801.1
• 申請日: 2019-02-27
• 公開（公告）號: CN109696418B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發明（設計）人: 沈德明;賴小明;陳昊;鄒婷
• 申請（專利權）人: 南京科遠智慧科技集團股份有限公司
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N21/01
• 代理公司: 南京匯盛專利商標事務所(普通合伙) 32238
• 代理人: 陳揚

1.一種應用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探測系統，其特征在于：包括DFB激光器(1)、1×2單模光纖分束器(2)、準直器(3)、待測空間(4)、多模噪聲擾模器(5)、單模光纖時間延遲器(6)、2×2多模光纖分束器(7)、多模光纖時間延遲器(8)、多模光纖衰減器(9)、平衡探測器(10)和單模光纖衰減器(11)，兩所述準直器(3)分別置于待測空間(4)的兩側，且一側的準直器(3)形成發射端，另一側的準直器(3)形成接收端；所述DFB激光器(1)的輸出激光由光纖傳輸接入1×2單模光纖分束器(2)的輸入端口，1×2單模光纖分束器(2)的兩根輸出尾纖一根接入所述發射端的準直器(3)，另一根接入單模光纖時間延遲器(6)，單模光纖時間延遲器(6)與單模光纖衰減器(11)的輸入尾纖相連；發射端的準直器(3)將激光調制信號注入待測空間(4)中并由所述接收端的準直器(3)接受，接收端的準直器(3)經過多模光纖傳輸連入多模噪聲擾模器(5)的輸入端口；多模噪聲擾模器(5)的輸出尾纖以及單模光纖衰減器(11)的輸出尾纖分別對應連接2×2多模光纖分束器(7)的兩個輸入端尾纖，2×2多模光纖分束器(7)的兩個輸出端尾纖分別對應連接多模光纖時間延遲器(8)的輸入尾纖和多模光纖衰減器(9)的輸入尾纖，多模光纖時間延遲器(8)的輸出尾纖以及多模光學衰減器(9)的輸出尾纖均插入平衡探測器(10)的兩個輸入端口內；

根據所述外差平衡探測系統，其中：

所述2×2多模光纖分束器(7)輸出外差干涉信號值I，如下公式所示：

其中E_r為參考光振幅，E_t為檢測光振幅，Δf為光波頻率差，為相位差；Δf是由單模光纖時間延遲器6產生引入；

所述的多模光纖時間延遲器(8)、多模光學衰減器(9)輸入口平衡探測器(10)響應信號分別為：

式中，平衡探測器(10)兩個輸入口對應兩個探測器的噪聲noise₁和noise₂；ψ為π

所述平衡探測器(10)輸出值為：

2.一種應用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探測方法，其特征在于：包括如下步驟：

1)DFB激光器的輸出激光射入1×2單模光纖分束器(2)，并通過1×2單模光纖分束器(2)分成兩路，一路作為檢測光，其振幅為E_T，用于待測空間(4)檢測吸收光譜信號，并經多模噪聲擾模器(5)進行抗干擾信號處理；另一路作為參考光，其振幅為E_r，通過單模光纖時間延遲器(6)進行延時處理，參考光透過單模光纖時間延遲器(6)并射入單模光纖衰減器(11)，所述單模光纖時間延遲器(6)的延時處理能夠通過增加檢測光和參考光的相位差產生外差干涉，單模光纖衰減器(11)根據射入的參考光調節參考光大小，并最終調節檢測光和參考光之間比例系數；

2)所述檢測光與參考光匯入2×2多模光纖分束器(7)，并經2×2多模光纖分束器(7)再次分成兩路信號光，一路信號光經多模光纖衰減器(9)輸出給平衡探測器(10)，另一路信號光經多模光纖時間延遲器(8)延遲處理并最終輸出給平衡探測器(10)；其中：

所述2×2多模光纖分束器(7)輸出外差干涉信號值I，如下公式所示：

式中：E_r為參考光振幅，E_t為檢測光振幅，Δf為光波頻率差，為相位差；Δf是由單模光纖時間延遲器6產生引入；

所述的多模光纖時間延遲器(8)、多模光學衰減器(9)輸入口平衡探測器(10)響應信號分別為：

式中，平衡探測器(10)兩個輸入口對應兩個探測器的噪聲noise₁和noise₂；ψ為π；

3)平衡探測器(10)將接收到的兩路信號光相減放大，即獲得外差平衡測量信號的輸出；所述平衡探測器(10)內置兩個光電傳感器，所述兩個光電傳感器分別對應接受所述兩路信號光，兩路信號光經過光電傳感器后相減放大，即獲得了消除傳感器噪聲的外差干涉信號I_out；

所述平衡探測器(10)輸出值為：