[發明專利]一種級聯吸收路徑氣體濃度復用探測的方法及裝置

有效

• 申請號: 202010445454.5
• 申請日: 2020-05-24
• 公開（公告）號: CN111551520B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 尉昊赟;陳馨怡;李巖
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N21/01
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 段俊濤

1.一種級聯吸收路徑氣體濃度復用探測的方法，其特征在于，包括：

采用具有幾十至幾千赫茲可調重頻差的兩臺光學頻率梳作為寬帶主動探測光源，其中一臺作為信號光，一臺作為參考光；

采用一組吸收路徑級聯分段調節模塊對探測路徑進行路段劃分，所述分段調節利用吸收路徑級聯分段調節模塊（9）通過對信號光光束的口徑或波段進行濾取實現；

采用單像元探測器對多路段返回的信號進行探測，所述單像元探測器采用外觸發模式，觸發信號頻率與其中一臺光學頻率梳的重復頻率一致，所述多路段返回的信號有不同的時間延遲，依次和參考光合束，入射至單像元探測器，在單個采樣周期內產生時間復用的多個多外差干涉信號；

采用時間窗對復用的多個多外差干涉信號進行拆分提取，通過時域信號包絡零點解算各吸收路徑長度，通過傅里葉變換光譜復原法解算對應光譜信息，并結合兩者獲得各路徑段氣體種類及其濃度信息；

其中，所述吸收路徑級聯分段調節模塊（9）包括依次位于探測路徑上的多組調節模塊元件和一個反射鏡（9-4），分段調節通過分口徑或分波段方式實現：

分口徑實現時，調節模塊元件為信號光束口徑內反射面積比例逐漸增大的一組反射鏡，反射鏡（9-4）將剩余未被反射的信號光反射回，且各反射鏡反射面積比例配置滿足各路段反射光能量比接近1；

分波段實現時，調節模塊元件為分色濾光片，將特定波段的光反射，其余波段的光透射，反射鏡（9-4）將剩余未被反射的信號光反射回，各分色濾光片截止波長配置滿足依次濾出波段中均包含目標氣體較強的吸收線，且各路段反射光能量比接近1。

2.根據權利要求1所述級聯吸收路徑氣體濃度復用探測的方法，其特征在于，在時域中利用時間飛行法，從復用信號包絡零點解算信號光所經不同路徑的路徑長度，即得各吸收路徑長度；在頻域中對復用信號進行傅里葉變換、濾波及頻率映射，解算信號光所經不同路徑的吸收光譜，即得對應光譜信息。

3.根據權利要求1或2所述級聯吸收路徑氣體濃度復用探測的方法，其特征在于，結合所獲得的吸收路徑長度和對應光譜信息進行最小二乘擬合，反演出各路徑段氣體種類及其濃度，實現氣體的分布式定量探測。

4.根據權利要求1或2所述級聯吸收路徑氣體濃度復用探測的方法，其特征在于，采用兩臺重復頻率差在幾十至幾千赫茲可調的光學頻率梳作為寬帶主動探測光源。

5.一種實現權利要求1所述級聯吸收路徑氣體濃度復用探測的方法的探測裝置，其特征在于，包括：

第一光學頻率梳（1-1），

第二光學頻率梳（1-2），與第一光學頻率梳（1-1）具有幾十至幾千赫茲可調重頻差，其輸出光作為參考光；

第一反射式光纖準直器（6-1），通過第二單模光纖（5-2）連接第一光學頻率梳（1-1），將第一光學頻率梳（1-1）的輸出光準直成空間光一；

第二反射式光纖準直器（6-2），通過第三單模光纖（5-3）連接第二光學頻率梳（1-2），將第二光學頻率梳（1-2）的輸出光準直成空間光二；

立方體分束器（7），設置于空間光一和空間光二的路徑上；

離軸拋物面反射鏡，設置于空間光一透射立方體分束器（7）之后的路徑上，將透射光調節擴束準直后作為信號光輸出；

吸收路徑級聯分段調節模塊（9），設置于探測路徑上，通過多段吸收實現路段劃分，并將信號光返回，返回的信號光在立方體分束器（7）反射，與空間光二經立方體分束器（7）的透射光合束；

光電探測器（10），接收合束后的光；

采集模塊（11），接光電探測器（10）將接收的合束光轉換為數字信號；

分析處理模塊（12），按解算方法得到各路徑吸收光譜和路徑長度。

6.根據權利要求5所述探測裝置，其特征在于，還包括氦氖激光器（2），氦氖激光器（2）的輸出光路上設置光纖耦合器（4），光纖耦合器（4）通過第一單模光纖（5-1）連接第一反射式光纖準直器（6-1），第一反射式光纖準直器（6-1）將氦氖激光器（2）的輸出光準直入空間光一。