[發明專利]一種基于激光色散光譜的溫度和振幅遙測系統與方法

有效

• 申請號: 202210070545.4
• 申請日: 2022-01-21
• 公開（公告）號: CN114518180B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 徐立軍;王仁德;曹章;李泓瑤
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于激光色散光譜的溫度和振幅遙測系統，包括激光發射模塊(101)、電光調制器(102)、分束器(103)、準直鏡(104)、光電探測器1(105)、透射反射一體化光學模塊(106)、氣體池(107)、原向反射器件(108)、光電探測器(109)和數據采集處理模塊(110)；激光發射模塊(101)發出調制激光通過電光調制器(102)進行高頻強度調制后通過分束器(103)分為兩束，一束直接輸入光電探測器1(105)后輸入數據采集處理模塊(110)，另一束通過準直鏡(104)準直后穿過透射反射一體化光學模塊(106)入射到氣體池(107)，穿過氣體池(107)的光通過原向反射器件(108)后原路反射到透射反射一體化光學模塊(106)，然后會聚到光電探測器2(109)后輸入數據采集處理模塊(110)實現對熱振參數的解算；由光電探測器1(105)和光電探測器2(109)分別通過相敏檢測獲得初始相位和探測相位然后探測相位的非吸收部分擬合得到由于距離變化引起的相變通過相變與初始相位的差得到距離相位，計算振動引起的振幅變化，通過探測相位與相變的差得到吸收相位，通過比色法計算氣體池(107)中氣體溫度。

2.根據權利要求1所述的一種基于激光色散光譜的溫度和振幅遙測系統，其特征在于，所述的激光發射模塊(101)出射的激光通過電光調制器(102)，實現對光的高頻強度調制，在中心波長兩側產生兩個頻譜帶，產生三色激光，為了實現對溫度和振幅的同步測量，三色激光被分為兩束，一束由電光探測器1(105)接收，用于計算初始相位，一束通過待測目標后，由電光探測器2(109)接收，用于計算探測相位；所述的透射反射一體化光學模塊(106)可以對來自不同方向的激光束分別實現透射和反射的功能，探測信號通過透射反射一體化光學模塊(106)后由原向反射器件(108)將激光束后向反射回原始方向，然后由透射反射一體化光學模塊(106)通過反射將光束偏離原始光路，并會聚到光電探測器2(109)，實現對傳感器信號的收發一體化。

3.一種基于激光色散光譜的溫度和振幅遙測方法，應用權利要求2所述的一種基于激光色散光譜的溫度和振幅遙測系統，其特征在于，首先通過調制激光發射模塊(101)的注入電流和溫度來控制激光器的輸出波長和光強，激光發射模塊(101)通過調制后發出掃頻激光，在某一時刻，將激光器發出的激光看成頻率為ω₀的單頻激光，激光通過調制頻率為Ω的電光調制器(102)進行強度調制，產生具有已知頻率間隔Ω的三色光束，然后通過分束器(103)將調制后的激光分為兩束，一束光作為參考信號直接輸入光電探測器1(105)以獲得初始相位；另一束光作為探測信號通過準直鏡(104)準直后通過透射反射一體化光學模塊(106)到達氣體池(107)；通過氣體池(107)后的光，由于分子躍遷會同時發生吸收和色散，通過氣體池(107)的三色激光在目標吸收躍遷附近會由于不同的折射率引起不同相移；然后通過原向反射器件(108)沿著原始光的方向反向傳播到達透射反射一體化光學模塊(106)并會聚到光電探測器2(109)，由氣體池(107)中氣體樣品的溫度和振動引起的位移變化引起的相變，可以表示為

其中，和分別表是由光程變化和色散引起的相變，ω₀是光頻，c是光速，n是折射率，ΔL和L_c分別是總光程和氣體池(107)的長度，Ω是電光調制器的調制頻率，決定系統的測量相位的能力，在公式(1)中，前一項為非吸收光路引起的相位變化，后一項為吸收色散引起的相位變化，首先通過對探測信號的非吸收部分擬合得到由于距離變化引起的相位偏移，通過求解基準相位譜，可以得到目標振動的頻譜分布，對應的光程長度可以表示為

其中，是由光電探測器1(105)得到的初始相位，可以消去群延遲相位對測量結果的影響，通過與初相位的差，可以獲得由振動引起的監測儀器與氣體池(107)的距離變化所產生的絕對相位變化，進而可以獲得絕對的距離變化，距離變化的平均值即為目標所在的位置信息，最后通過對基線的偏移相位進行頻譜求解可以得到振動的頻率分布；當激光掃過分子躍遷時，吸收和色散同時發生，從Kramers-Kronig關系可知，折射率是與吸收相關的函數，可以表示為

其中，ω是光的頻率，α(ω)是位于頻率ω處的吸收系數；

利用氣體的色散光譜可以得到和吸收光譜一樣氣體信息，兩條不同分子躍遷處的色散光譜的峰峰值反映了不同譜線處的線強度；結合HITRAN數據庫，通過仿真計算兩條譜線相位峰峰值，制成比值與溫度的查找表，然后根據測量值進行查表，計算測量值與理論查表值的偏差，通過迭代減小偏差，實現溫度的測量；通過所述的熱振遙測系統，可以實現對高溫振動目標溫度和振幅的多參數測量。