[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

一種級聯吸收路徑氣體濃度復用探測的方法及裝置，包括由兩臺重復頻率略有差異的光頻梳構成的主動寬帶激光光源，吸收路徑級聯分段調節模塊，信號接收采集模塊和復用干涉信號提取與分析處理模塊等。級聯吸收路徑中各段的吸收光譜和路徑長度均可通過對復用干涉信號的分析得到，進而可獲得各路徑段的氣體種類及其濃度信息。此發明在一組光源、單像元探測器條件下，具備對多路徑段進行長度探測、寬帶高分辨率光譜探測能力，可快速實現多種氣體的分布式定量探測，顯著提升了激光光譜探測效能。

技術領域

本發明屬于氣體傳感技術領域，特別涉及一種級聯吸收路徑氣體濃度復用探測的方法及裝置。

背景技術

在氣體傳感領域中，常常需要對開放光程中的氣體濃度進行遙測。環境檢測、公共安全、工業過程控制中對溫室氣體、有毒有害氣體、易燃易爆氣體等的監測都對氣體濃度遙感有著重要需求。

光學光譜方法以其無接觸無附加反應等優點被廣泛用于氣體遙感，例如可調諧激光器光譜(TDLAS)，差分光學光譜(DOAS)，傅里葉變換光譜(FTS)和雙光梳光譜(DCS)。其中，雙光梳方法利用兩臺光頻梳之間的異步光學采樣產生多外差干涉信號，對干涉信號進行頻域處理可以實現氣體吸收光譜的測量。其巨大潛力引發了光譜測量領域內的研究熱潮。幾十甚至上百太赫茲的廣闊光譜覆蓋范圍支持多種類氣體同時檢測。利用重頻掃描的方法其可以在雙光子吸收光譜中實現突破多普勒限制的高光譜分辨率。最重要的是其擁有高檢測速度并且無需任何機械移動部件。毫秒量級的數據更新速率使得單次測量免受大氣湍流的影響，這種優異的湍流免疫性適合應對快速環境變化帶來的挑戰，已使其在城市污染物排放估算和天然氣生產現場監測等長距離開放光程氣體遙感中得以應用。

盡管將雙光梳方法用于氣體遙感的可行性已在多種場景中得到驗證，但是當前的研究局限于長目標路徑上平均氣體濃度的檢測。在實際應用中，網格化分析和動態監控如石油天然氣生產現場實時監測眾多潛在泄漏源是否泄露等，需要對目標路徑不同位置的氣體濃度變化有準確的了解，這需要執行更準確更有效的帶有位置信息的氣體濃度測量。根據朗伯-比爾定律，上述需求需要同時確定吸收路徑長度。雙光梳方法恰巧也已在距離測量領域中得以應用。通過使用時間飛行法或進一步結合干涉相位解調技術其可以實現亞微米或幾納米的測距精度。通過非模糊距離(NAR)擴展，其還可以實現長達千米的遠程測距。雙光梳方法在距離測量方面的優異性能，足以支持有效的濃度檢索。但現有技術從未將其在測距領域的能力融合到光譜應用中。而且依靠傳統氣體遙測方法，獲取多點濃度信息需要多套設備同時測量。如何方便有效地進行開放光程長目標路徑中分布式氣體定量分析，還是亟待解決的問題。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種級聯吸收路徑氣體濃度復用探測的方法及裝置，以在單組光源單像元探測器的條件下，完成目標路徑各級聯段內氣體種類及濃度的測量，可快速實現多種氣體的分布式定量探測，顯著提升激光光譜的探測效能。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種級聯吸收路徑氣體濃度復用探測的方法，包括：

采用重復頻率略有差異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。