[發明專利]一種基于高頻參考光頻分復用技術的氣體濃度測量裝置及測量方法

有效

• 申請號: 202010314386.9
• 申請日: 2020-04-20
• 公開（公告）號: CN111474138B
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 周賓;連久翔;王一紅
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N21/27
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李倩

1.一種基于高頻參考光頻分復用技術的氣體濃度測量裝置，其特征在于：依次包括信號發生模塊、氣體參數測量模塊、信號接收模塊以及信號處理模塊；其中，信號發生模塊包括函數發生器、激光控制器、分布式反饋激光器和光纖分束器；氣體參數測量模塊包括光學標準具和測量池；信號接收模塊由三個光電探測器組成；測量池中充有待測氣體；函數發生器將掃描疊加調制信號輸入激光控制器I中，激光控制器I對分布式反饋激光器I的輸出波長、光強進行調諧；同時函數發生器將調制信號輸入激光控制器II中，激光控制器II對分布式反饋激光器II的輸出波長、光強進行調諧；兩束激光耦合后依次通過兩個光纖分束器分成三束光信號，其中一束由激光發射端穿過測量池，經待測氣體吸收后被光電探測器I接收并轉換為電信號，得到透射光強信號；另一束光信號經光學標準具后被光電探測器II接收，得到標準具信號進行時間頻率轉換；最后一束光信號直接被光電探測器III接收得到背景信號，三路信號均由對應的光電探測器傳輸至信號處理模塊進行處理；

上述基于高頻參考光頻分復用技術的氣體濃度測量裝置的測量方法，具體包括如下步驟：

(1)函數發生器將掃描頻率為f_s的信號疊加調制頻率f_m信號并通過其內部的通道一輸入激光控制器I中，激光控制器I對DFB激光器I的輸出波長和光強進行調諧；

(2)函數發生器將調制頻率f_ref信號通過其內部的通道二輸入激光控制器II中，激光控制器II對DFB激光器II的輸出波長和光強進行調諧；

(3)將步驟(1)的調制光與步驟(2)的調制光進行耦合，并經光纖分束器分為三束光信號，一束由激光發射端穿過測量池，經待測氣體吸收后被光電探測器I接收并轉換為電信號，得到透射光強信號I_t(t)；一束經過光學標準具，由光電探測器II采集標準具信號I_υ(t)；另一束直接由光電探測器III采集，得到背景光強信號I₀(t)；

(4)由標準具信號I_υ(t)得到時間頻率響應特性υ(t)；

(5)透射光強信號I_t(t)進行數字鎖相、低通濾波處理，在處理過程中，數字鎖相、低通濾波的參數依據參考頻率f_ref進行設置，得到一次諧波信號S_1f，將透射光強信號I_t(t)除以一次諧波信號后得到修正后的光強信號/

(6)對背景光強信號I₀(t)以及修正后的光強信號分別進行數字鎖相、低通濾波處理，在處理過程中，數字鎖相、低通濾波的參數依據調制頻率f_m進行設置，得到各自對應的一、二次諧波信號：

(7)依據Beer-Lambert定律，將步驟(6)得到的光強信號的一、二次諧波信號進行進一步處理，得到歸一化二次諧波信號，利用背景光強信號I₀(t)和步驟(4)所得時間頻率響應特性得到仿真的歸一化二次諧波信號，最后根據得到的歸一化二次諧波以及仿真的歸一化二次諧波信號用最小二乘算法擬合出積分吸收面積A，通過積分吸收面積A計算出待測氣體濃度值。

2.根據權利要求1所述的基于高頻參考光頻分復用技術的氣體濃度測量裝置，其特征在于：步驟(5)中，修正后的光強信號由如下公式計算得到：

/

式(1)中，為透射光強信號I_t(t)對應的參考頻率f_ref下的一、二次諧波x分量和y分量，F為低通濾波器；

式(2)中，為透射光強信號I_t(t)對應的參考頻率f_ref下的一次諧波信號；

式(3)中，為修正后的光強信號。