[發(fā)明專利]一種基于雙光梳光譜技術(shù)的溫度和濃度測(cè)量系統(tǒng)和方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010045075.7
• 申請(qǐng)日: 2020-01-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111077109A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曹章;蔡兆雨;徐立軍;張宏宇;黃昂
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/39
• 分類號(hào): G01N21/39;G01N21/01;G01D21/02
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1.一種基于雙光梳光譜技術(shù)的溫度和濃度測(cè)量系統(tǒng)，包括兩個(gè)重復(fù)頻率差小于1MHz的光學(xué)頻率梳、2×2光纖耦合器、光學(xué)帶通濾波器、準(zhǔn)直器、低通濾波器、光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)；雙光梳經(jīng)2×2光纖耦合器耦合分束，一路作為測(cè)量光路，經(jīng)過(guò)待測(cè)氣體和光學(xué)帶通濾波器后由光電探測(cè)器接收；一路作為參考光路，經(jīng)過(guò)光學(xué)帶通濾波器直接耦合到光電探測(cè)器；雙光梳在光電探測(cè)器上產(chǎn)生的干涉信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾波后被數(shù)據(jù)采集卡采集；通過(guò)對(duì)測(cè)量光路和參考光路的干涉信號(hào)做傅里葉變換提取待測(cè)氣體的吸收譜信息，利用光頻梳的梳齒信息代替?zhèn)鹘y(tǒng)吸收光譜方法所用到的標(biāo)準(zhǔn)具提供波數(shù)信息，最后基于多色法和最小二乘法實(shí)現(xiàn)溫度和濃度測(cè)量。

2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)的基于雙光梳光譜技術(shù)的溫度和濃度測(cè)量方法，其特征在于溫度和濃度測(cè)量時(shí)，利用雙光梳激光器產(chǎn)生多外差干涉信號(hào)，采集包含吸收譜信息的測(cè)量光路光強(qiáng)數(shù)據(jù)和不包含吸收譜信息的參考光路光強(qiáng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行傅里葉變換獲得吸收光譜，并結(jié)合光學(xué)頻率梳的梳齒間隔信息，利用線型擬合的方式獲得多個(gè)不同吸收譜線處的吸收面積，最后結(jié)合最小二乘方法，求得待測(cè)氣體的溫度和濃度；具體包括以下四個(gè)步驟：

步驟一、利用雙光梳激光器產(chǎn)生參考光路和測(cè)量光路兩路干涉信號(hào)并采集光強(qiáng)數(shù)據(jù)；

鎖定到高穩(wěn)時(shí)鐘信號(hào)源的兩個(gè)光頻梳，其重復(fù)頻率分別為f_r1、f_r2，其中f_r1f_r2，重頻差f_rep＝f_r2-f_r1，通過(guò)2×2光纖耦合器111耦合后分成均等的兩束，一路通過(guò)光學(xué)帶通濾波器141直接耦合到光電探測(cè)器161，光電探測(cè)器161輸出的電信號(hào)經(jīng)低通濾波器171濾波后濾除高頻激光脈沖信號(hào)得到不包含吸收譜信息的干涉信號(hào)S₁，重復(fù)頻率f_rep；一路經(jīng)準(zhǔn)直器121準(zhǔn)直，穿過(guò)待測(cè)氣體131后，通過(guò)光學(xué)帶通濾波器142后耦合到光電探測(cè)器162，光電探測(cè)器162輸出的電信號(hào)經(jīng)低通濾波器172濾波后濾除高頻激光脈沖信號(hào)得到包含吸收譜信息的干涉信號(hào)S₂，重復(fù)頻率f_rep；光學(xué)帶通濾波器的帶寬應(yīng)小于f_r1²/f_rep，低通濾波器的帶寬應(yīng)小于f_r1/2；最后利用數(shù)據(jù)采集卡181同步采集干涉信號(hào)S₁和S₂，信號(hào)采樣率為fr₁或fr₂，并上傳到計(jì)算機(jī)；

步驟二、從參考光路干涉信號(hào)S₁和測(cè)量光路干涉信號(hào)S₂中提取吸收譜信息；

兩個(gè)光學(xué)頻率梳的光波電場(chǎng)是其不同縱模f_p的光波電場(chǎng)的疊加，位于光學(xué)帶通濾波器141和142的通帶范圍內(nèi)的電場(chǎng)分量表示為：

其中，E_p、f_p和分別是光學(xué)頻率梳101中第p個(gè)縱模的電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率和初相位，E_q、f_q和分別是光學(xué)頻率梳102中第q個(gè)縱模的電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率和初相位，t是時(shí)間，OW為光學(xué)帶通濾波器141和142的通帶范圍，且所有滿足光學(xué)帶通濾波器通帶范圍的縱模序數(shù)p構(gòu)成集合P，所有滿足通帶范圍的縱模序數(shù)q構(gòu)成集合Q，即

p∈P,q∈Q (3)

經(jīng)過(guò)2×2光纖耦合器201后，耦合的雙光學(xué)頻率梳位于光學(xué)帶通濾波器141和142的通帶范圍內(nèi)的光波電場(chǎng)表示為：

不經(jīng)過(guò)待測(cè)氣體的激光信號(hào)經(jīng)過(guò)光學(xué)帶通濾波器141后被光電探測(cè)器151接收，其光強(qiáng)為：

干涉信號(hào)S₁經(jīng)過(guò)帶寬為f_r1/2的低通濾波器161濾除高頻分量后，光強(qiáng)表示為：

同樣地，通過(guò)待測(cè)氣體的一路激光經(jīng)過(guò)光學(xué)帶通濾波器142后被光電探測(cè)器152接收，干涉信號(hào)S₂經(jīng)過(guò)帶寬為f_r1/2的低通濾波器162濾除高頻分量后，光強(qiáng)表示為：

其中，α(f_p)和α(f_q)是氣體分子在光頻f_p和f_p處的吸收率，

f_p-f_q＝pf_r1-qf_r2+f_ceo1-f_ceo2 (8)

令

得

f_p-f_q＝pf_rep+Δpf_r2+Δf_ceo (10)

由于光學(xué)帶通濾波器141和142，低通濾波器161和162的帶寬限制，式(10)滿足

0≤f_p-f_q＜f_r1/2,p∈P,q∈Q (11)

因此Δp為定值，從而f_p-f_q與p一一對(duì)應(yīng)，決定了干涉信號(hào)S₁、S₂在射頻域的頻譜分量f_p-f_q與確定的縱模序數(shù)p、q一一對(duì)應(yīng)，進(jìn)而與確定的光學(xué)頻率f_p和f_q一一對(duì)應(yīng)，干涉信號(hào)S₁、S₂就是多外差干涉產(chǎn)生的各頻率分量在時(shí)域上的加權(quán)體現(xiàn)；

對(duì)不包含吸收譜信息的干涉信號(hào)S₁和包含吸收譜信息的干涉信號(hào)S₂進(jìn)行傅里葉變換分別得到其頻譜的幅值譜信號(hào)I₁(f)、I₂(f)，f為射頻范圍內(nèi)的頻率，小于f_r1/2，其離散化后頻率間隔為f_rep，

其中，δ為沖激函數(shù)，

根據(jù)吸收率的定義，光頻梳發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)待測(cè)氣體后的吸收率R(f)表示為：

此時(shí)得到的吸收率R(f)是隨射頻頻率變化的，由于射頻頻率分量和光頻頻率分量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，吸收率R(f)對(duì)應(yīng)為隨激光波數(shù)v[cm^-1]變化的吸收率α(v)，即所覆蓋光譜范圍內(nèi)的吸收譜；

步驟三、獲取不同中心波長(zhǎng)下的積分面積；

所選定的測(cè)量氣體在波長(zhǎng)v處的吸收率α(v)寫(xiě)為：

其中，P[atm]是總氣壓，L[cm]是吸收路徑長(zhǎng)度，X_abs(x)是被測(cè)氣體的摩爾分?jǐn)?shù)，S(T)[cm^-2atm^-1]是被測(cè)氣體所限特征譜線的線強(qiáng)度，φ[cm]是線型函數(shù)，由于線型函數(shù)φ[cm]滿足歸一化條件對(duì)于第i條吸收譜線，吸收率α(ν_i)的積分面積為A_i[cm^-1]:

當(dāng)待測(cè)區(qū)域的溫度、氣體濃度、壓力保持一致時(shí)，式(17)寫(xiě)作：

吸收譜相鄰離散點(diǎn)之間在光頻上的頻率間隔是精確已知的，即光頻梳的重頻fr₁，由頻率f和波數(shù)v之間的關(guān)系f＝cv得吸收譜相鄰離散點(diǎn)之間的波數(shù)間隔：

其中，c為光速；

由此得到吸收譜的相對(duì)波數(shù)信息，進(jìn)而利用Voigt線型函數(shù)對(duì)各個(gè)譜線處的吸收峰分別進(jìn)行擬合，即得到各個(gè)吸收譜線處的吸收面積A_i；

步驟四、利用多個(gè)吸收面積進(jìn)行溫度和濃度求解；

被測(cè)氣體的吸收譜線的線強(qiáng)度S(T)[cm^-2atm^-1]是溫度的單變量函數(shù)：

其中，h[J·s]為普朗克常數(shù)，c[cm/s]為光速，k[J/K]是玻爾茲曼常數(shù)，Q(T)是配分函數(shù)，v₀[cm^-1]為吸收峰中心處的波數(shù)，T₀[K]為參考溫度，E″[cm^-1]為吸收躍遷的低能級(jí)能量；

任意兩條不同吸收譜線的積分吸收率之比R是溫度的函數(shù)：

推導(dǎo)得到：

得到各個(gè)不同吸收譜線處的吸收面積A_i后，以低能級(jí)能量E″為橫坐標(biāo)，ln(A/S(T₀))為縱坐標(biāo)，由多個(gè)點(diǎn)所確定的直線的斜率即反映出路徑的溫度值，利用最小二乘方法擬合出的直線斜率為l_k，得到激光吸收路徑上的溫度：

求得激光吸收路徑上的溫度之后，則確定待測(cè)氣體在該溫度下的線強(qiáng)度S(T)，利用式(18)即解算出待測(cè)氣體在激光吸收路徑上的濃度X_abs。