[發明專利]一種基于雙光梳光譜的溫度場和濃度場測量系統和方法

在審

• 申請號: 202010045166.0
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111077110A
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 徐立軍;張宏宇;曹章;蔡兆雨;陸方皞
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N21/01;G01D21/02
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1.一種基于雙光梳光譜的溫度場和濃度場測量系統，系統包括同步模塊、第一光學頻率梳、第二光學頻率梳、2×1光纖耦合器、光學帶通濾波器、1×8光開關、光電探測器、信號采集與處理模塊、激光發射裝置、探測器陣列；其中，同步模塊為第一光學頻率梳、第二光學頻率梳、1×8光開關、信號采集與處理模塊提供工作時鐘；重復頻率差固定的第一光學頻率梳、第二光學頻率梳產生的超短飛秒光學脈沖經2×1光纖耦合器耦合，經過光學帶通濾波器濾波接入1×8光開關通過開關切換產生8個輸出，分別接到一個光電探測器和七邊形傳感器的七個激光發射裝置，激光發射裝置將光纖內的激光展成扇形激光照射到探測器陣列，光電探測器和探測器陣列上產生的雙光梳干涉信號被信號采集與處理模塊采集后進行處理分析，從中提取吸收譜信息，計算不同吸收譜線處的積分吸收率，結合迭代重建算法得到待測區域內的局部積分吸收率二維分布，進而計算得到溫度和濃度二維分布。

2.基于權利要求1所述的一種基于雙光梳光譜的溫度場和濃度場測量系統，其特征在于同步模塊的時鐘分發以及通過光開關切換的方式使得兩個光學頻率梳激光器在光電探測器和七邊形傳感器的探測器陣列上產生干涉信號，并被信號采集與處理模塊低通濾波后采集：

內部包含高穩定時鐘信號源的同步模塊為第一光學頻率梳、第二光學頻率梳、1×8光開關、信號采集與處理模塊提供工作時鐘；將第一光學頻率梳、第二光學頻率梳鎖定到該高穩定時鐘信號源，其重復頻率分別為f_r1、f_r2，且滿足f_r1＜f_r2，重頻差f_rep＝f_r2-f_r1；光開關的切換頻率f_sw鎖定到該高穩定時鐘信號源，重復頻率差f_rep是切換頻率f_sw的8n倍，n為正整數；信號采集與處理模塊的采樣時鐘采用外部輸入時鐘，為第一光學頻率梳的重復頻率f_r1或是第二光學頻率梳的重復頻率f_r2；

第一光學頻率梳、第二光學頻率梳產生的覆蓋一定光譜范圍的超短飛秒光學脈沖通過2×1光纖耦合器耦合后，通過光學帶通濾波器選擇激光的光譜范圍，該光學帶通濾波器的光譜范圍依據待測區域內的氣體組分進行選擇，光學帶通濾波器的帶寬BW滿足式(1)，使得兩個光學頻率梳的多外差干涉產生的干涉信號間不發生頻譜混疊：

光學帶通濾波器的輸出接入1×8光開關的輸入，1×8光開關通過開關切換和分時策略將輸入激光通過光開關的8個輸出端口分時輸出；1×8光開關的切換頻率固定為f_sw，完成一輪切換的時間為1/f_sw，且每個輸出端口激光輸出的時間保持一致為1/(8f_sw)；1×8光開關的一個輸出直接耦合到光電探測器，用于檢測未經過吸收的兩個超短光學脈沖的干涉信號，作為參考信號；其余七個輸出分別接到七邊形傳感器的激光發射裝置，激光發射裝置將光纖內的激光展成扇形激光，該扇形激光覆蓋七邊形傳感器的五條邊上的探測器陣列，不包括激光發射裝置所在頂點的兩條臨邊在內；每條邊上探測器陣列上集成的m個光電二極管，用于檢測經過待測區域吸收后的兩個超短光學脈沖的干涉信號，作為測量信號；每次掃描通過光開關控制七個激光發射裝置使用分時掃描的方式依序發射扇形激光束，從每個角度發射的扇形激光束可以覆蓋七邊形傳感器的五條邊，每次掃描完成后可得到35m條激光路徑上的測量信號；

產生的參考信號和測量信號經信號采集與處理模塊前端集成的低通濾波器濾波，且低通濾波器的帶寬小于f_r1/2以濾除高頻激光脈沖信號以及頻率不小于f_r1/2的干涉信號高頻分量，避免發生頻譜混疊；信號采集的時鐘頻率和第一光頻梳的重復頻率f_r1或是第二光學頻率梳的重復頻率f_r2保持一致。