[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

本發明公開了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，DFB激光器輸出調制信號，由經過1×2單模光纖分束器分為探測光和參考光，探測光經過待測環境劇烈衰減。單模光纖時間延遲器使兩束光產生相位差，探測光還經過了多模噪聲擾模器消除多模噪聲，在2×2多模光纖分束器中形成外差干涉。將外差干涉后信號1:1分束，接入平衡探測器，獲得降低了探測器噪聲的放大干涉信號。本發明將參考光和探測光在1×2單模光纖分束器中產生干涉，由2×2多模光纖分束器均分輸出，使其兩路輸出信號直流量無論探測光是否波動都相同，接入平衡探測器能均衡抗噪，顯著提高了實時性和抗噪能力。

技術領域：

本發明涉及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。

背景技術：

可調諧二極管激光吸收光譜法(TDLAS)是一種基于激光原理的新型光學傳感器，它應用于各種環境下的氣體濃度和溫度非接觸測量。它的高速反饋、實時監測的特性使其成為動態過程控制系統中最為重要的測量手段之一。

直接吸收法(DAS)是TDLAS技術中的一種數據處理方法，應用于吸收強度較大的環境中。雙線免除標定，不用近似計算等方面是相對WMS波長調制法的優勢。而DAS最大的劣勢就是抗干擾能力差，信噪比低和信號變形會增大它的探測誤差。實驗室中為提高信噪比可以使用平衡探測法，通過調節參考光光強減去背景光和探測器噪聲，使信號基底為0。但是實際工業應用環節，因為探測信號實時變化，并且衰減往往大于1000倍以上，所以參考光難以自適應調節。

為了在強吸收環境下使用DAS獲取有效信號，需要另一種光學和信號處理方法提高DAS抗干擾能力。

發明內容：

本發明是為了解決上述現有技術存在的問題而提供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。

本發明所采用的技術方案有：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，包括DFB激光器、1×2單模光纖分束器、準直器、待測空間、多模噪聲擾模器、單模光纖時間延遲器、2×2多模光纖分束器、多模光纖時間延遲器、多模光纖衰減器、平衡探測器和單模光纖衰減器，兩所述準直器分別置于待測空間的兩側，且一側的準直器形成發射端，另一側的準直器形成接收端；

所述DFB激光器的輸出激光由光纖傳輸接入1×2單模光纖分束器的輸入端口，1×2單模光纖分束器的兩根輸出尾纖一根接入所述發射端的準直器，另一根接入單模光纖時間延遲器，單模光纖時間延遲器與單模光纖衰減器的輸入尾纖相連；發射端的準直器將激光調制信號注入待測空間中并由所述接收端的準直器接受，接收端的準直器經過多模光纖傳輸連入多模噪聲擾模器的輸入端口；多模噪聲擾模器的輸出尾纖以及單模光纖衰減器的輸出尾纖分別對應連接2×2多模光纖分束器的兩個輸入端尾纖，2×2多模光纖分束器的兩個輸出端尾纖分別對應連接多模光纖時間延遲器的輸入尾纖和多模光纖衰減器的輸入尾纖，多模光纖時間延遲器的輸出尾纖以及多模光學衰減器的輸出尾纖均插入平衡探測器的兩個輸入端口內。

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，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，并通過1×2單模光纖分束器分成兩路，一路作為檢測光，其振幅為E_T，用于待測空間檢測吸收光譜信號，并經多模噪聲擾模器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進行延時處理；參考光透過單模光纖時間延遲器并射入單模光纖衰減器，所述單模光纖時間延遲器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，并經2×2多模光纖分束器再次分成兩路信號光，一路信號光經多模光纖衰減器輸出給平衡探測器，另一路信號光經多模光纖時間延遲器延遲處理并最終輸出給平衡探測器；