CN101762557A - 基于有源内腔吸收光谱的气体种类识别方法及识别装置 - Google Patents

Abstract

一种基于有源内腔吸收光谱的气体种类识别方法及识别装置。该识别方法采用输出波长已知的F-P标准具或FBG实现可调谐光滤波器的非线性标定，建立可调谐光滤波器的波长-电压关系曲线；将充满待测气体的气室放入光纤有源内腔中，根据气体吸收谱线对应的驱动电压值，计算待测气体的吸收波长；最后根据光谱数据库可查询确定待测气体的种类。基于此方法搭建的系统可以快速、准确地实现气体种类识别。与传统气体传感系统相比，该系统具有实现准分布式多种混合气体同时传感识别的能力。本发明提出的方法和搭建的系统可广泛应用于军事、工业生产等领域，在矿产能源以及石化生产中也大有可为。

Description

基于有源内腔吸收光谱的气体种类识别方法及识别装置

【技术领域】：本发明属于气体传感及检测技术领域。

【背景技术】：目前，传感器技术已经成为当今世界令人瞩目、迅猛发展的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，光纤传感技术一直处于传感器技术发展的前沿。与传统传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全、多参量测量(温度、应力、振动、位移、转动、电磁场、化学量和生物量等)、灵敏度高、质量轻、体积小等特点，目前已广泛应用于航天、军事和民用等领域。基于光纤传感技术的气体检测方法在矿产能源、大气环境以及石化生产中大有可为，已成为当今传感技术发展领域的一个重要课题。

基于光纤传感技术的气体检测方法，特别是近红外吸收光谱定量检测方法在近二十年内得到了迅猛发展，常用的近红外吸收光谱气体传感方法包括Fourier变换光谱法、差分吸收法、波长调制/二次谐波法、F-P腔法、声-光可调谐滤波器法、衰荡腔法等。

传统的气体传感检测方法，一个系统通常只能检测一种气体，并且只能在确知气体种类的前提下检测气体的浓度。尚无一项技术有能力区分不同气体的种类，同时实现混合气体传感检测。

【发明内容】：本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于有源内腔吸收光谱法的气体种类识别方法及识别装置，该方法可以实现对气体种类的主动识别。利用本发明搭建的系统可以快速的检测混合气体的组成成分，并具有较高的检测灵敏度。

本发明提供的基于有源内腔吸收光谱的气体种类识别方法包括：

第一、采用输出波长已知的F-P标准具或FBG实现可调谐光滤波器的非线性标定，建立可调谐光滤波器的波长-电压关系曲线并对其进行多项式拟合；

第二、将盛有待测气体的气室放入光纤有源内腔中，当待测气体的吸收光谱位于有源内腔的激射波段内时，采用光电探测器采集待测气体的吸收谱线，根据气体吸收谱线对应的驱动电压值，由第一步得到的波长-电压关系曲线计算待测气体的吸收波长值；

第三、根据光谱数据库HITRAN可查询确定气室中待测气体的种类。

本发明同时提供了一种实现上述方法的气体种类识别装置，该装置包括：

第一部分、光纤有源内腔：依次由掺铒光纤放大器(EDFA)、可调谐光衰减器、光环型器、可调谐光滤波器以及第一光耦合器串接构成光纤有源内腔，数据采集卡与可调谐光滤波器的电信号端②连接，数据采集卡输出的锯齿波电压经放大后用于驱动可调谐光滤波器，从而实现光纤有源内腔的波长扫描；可调谐光滤波器输出的窄带光由第一光耦合器进行分束，一束输入光探测器用于检测激光功率，另一束输入EDFA进行放大以实现自激振荡；

第二部分、参考臂：该参考臂与第二光耦合器端子②连接，并通过第二光耦合器与第一部分光纤有源内腔中的光环型器的端子②连接，用于为气体种类识别装置提供标准参考波长；

第三部分、气体传感识别网络：包括一个光开关和N路由气室及光纤Faraday旋光反射镜构成的气体传感识别支路，其中N为大于等于2的自然数；该气体传感识别网络中的光开关与第二光耦合器端子③连接，并通过第二光耦合器与第一部分光纤有源内腔中的光环型器的端子②连接。

第二部分所述的参考臂采用中心波长已知的FBG作为波长参考臂，FBG①端与第二光耦合器端子②连接，并通过第二光耦合器与第一部分光纤有源内腔中的光环型器的端子②连接。

第二部分所述的参考臂还可以采用F-P标准具作为参考臂，输入光束通过第三光耦合器进入F-P标准具，形成多个等距的梳状参考波长；F-P标准具输出光再经过光隔离器和第三光耦合器的端子③连接，并通过第二光耦合器与第一部分光纤有源内腔中的光环型器的端子②连接，使F-P标准具的透射光单向传输。

光纤有源内腔的放大器不仅可以采用基于掺铒光纤的放大器，掺杂光纤的掺杂介质还可以是Nd³⁺、Ho³⁺、Dm³⁺或Yb³⁺子，改变掺杂介质可以扩大激光器的激射频段。

所述的光纤有源内腔属于但不限于光纤激光器，还可以是半导体激光器、固体激光器、染料激光器等其他类型激光器。

本发明的优点和积极效果：

本发明提出了一种基于有源内腔吸收光谱法的气体种类识别技术，基于此方法搭建的系统可以快速、准确地实现气体的种类识别，并具有较高的检测灵敏度。

作为一种新型光纤气体传感方法，本发明提供的有源内腔法将气室放入激光器的谐振腔内，并使激光器的激射波长与待测气体的吸收光谱相对应，微弱光信号在谐振腔内往返振荡形成激光的过程中，多次经过待测气体，从而将较小的气室长度等效成为很大的有效吸收光程，极大的提高了气体传感灵敏度。

本发明采用FBG或F-P标准具为系统提供参考波长，并采用多项式拟合的方法研究可调谐激光器的波长-电压的非线性关系，可明显降低气体吸收谱线的波长定位误差，提高气体吸收峰的波长定位精度。

光纤有源内腔在激射波段内输出可连续调谐的激光信号，基于对F-P标准具或者FBG的光谱扫描建立可调谐光滤波器的波长-电压关系曲线，再根据气体吸收谱线对应的驱动电压值可计算其吸收波长值。在近红外波段，不同气体的吸收波长不同，并且吸收带之间间隔一般不低于几个纳米，因此根据光谱数据库HITRAN可查询确定气室中待测气体的种类。

本发明使用有源内腔吸收光谱法进行气体种类检测具有很高的灵敏度，可广泛应用于军事、航空航天、工业生产等领域。例如，在军事领域，自然灾害时，对灾害发生地环境中有害气体的侦检；战时战场有害气体的检测等。本方法在处理军事环境污染方面也具有应用前景。另外，化工行业在进行工业生产时也要常常对环境中的有害气体成分进行检测，防止危险情况的发生。由此可见，本发明提出的方法和实现该方法的系统具有广阔的市场前景，具有良好的技术转化基础。

【附图说明】：

图1是采用FBG作为参考臂的系统原理图；

图2是采用F-P标准具作为参考臂的系统原理图；

图3是FBG阵列和乙炔气体的二次谐波曲线。

图中1为掺铒光纤放大器(EDFA)，2为可调谐光衰减器，3为可调谐光滤波器，4、11和15分别为第一、第二和第三光耦合器，5为数据采集卡，6为光电探测器，7为气室，8为光纤Faraday旋光反射镜，9为光开关，10为光环型器，12为FBG，13为F-P标准具，14为光隔离器。

【具体实施方式】：

实施例1：有源内腔吸收光谱的气体种类识别方法

有源内腔法是一种新型光纤气体传感方法，将充满待测气体的气室放入光纤有源内腔中，当待测气体的吸收光谱位于有源内腔的激射波段内时，通过测量激光器输出光谱因气体吸收而引起的变化得到待测气体的种类。微弱光信号在谐振腔内往返振荡形成激光的过程中，多次经过待测气体，将较小的气室长度等效成为很大的有效吸收光程，从而极大的提高了气体传感灵敏度。

可调谐光滤波器中的压电陶瓷(PZT)在驱动电压的作用下可实现输出波长的调谐扫描。由于PZT驱动电压和微位移之间的关系是非线性的，从而导致了驱动电压与可调谐光滤波器透射波长之间的关系必然也是非线性的。可采用输出波长已知的F-P标准具或FBG实现可调谐光滤波器的标定与非线性补偿，建立可调谐光滤波器的波长-电压关系曲线。这样可以利用这种关系曲线降低气体吸收谱线的波长定位误差，提高气体吸收峰的波长定位精度。

在近红外波段，不同气体的吸收波长不同，并且吸收带之间间隔一般不低于几个纳米。由于光纤有源内腔在激射波段内输出宽谱域可连续调谐的激光信号，结合已经建立的波长-电压关系曲线模型，根据气体吸收谱线对应的驱动电压值，可计算其吸收波长值。

由于不同气体具有不同的吸收谱线波长，由此根据光谱数据库HITRAN可查询确定气室中待测气体的种类。因此应用该系统可以实现混合气体种类的主动识别。

EDFA中的掺铒光纤在1550nm附近的增益带覆盖了多种气体的吸收谱线，其中几种主要有害气体的吸收谱线如表1所示。当光纤有源内腔中运行的激光波长与气体的吸收谱线重合时，气室中被测气体与信号光之间进行充分的作用(吸收)，导致输出激光相应波长处的光功率降低。光纤有源内腔在掺铒光纤增益带内扫描一个周期可获得气室内多种气体在该波段内的吸收光谱，从而实现了不同种类气体的同时传感。改变光纤放大器中掺杂光纤的增益介质，拓宽光纤有源内腔的激射波段，扩展系统的波长调谐范围，可以增加可检测气体的种类。掺Nd³⁺，掺Ho³⁺，掺Dm³⁺，掺Yb³⁺等掺稀土光纤的激发带几乎覆盖了整个近红外波段。因此，可以通过改变增益光纤的掺杂介质，实现更多种类气体的检测。

表1几种主要有害气体的吸收谱线

气体种类	气体吸收谱线位置(nm)
		乙炔(C2H2)	1530
氨气(NH3)	1544

气体种类	气体吸收谱线位置(nm)
		一氧化碳(CO)	1567
二氧化碳(CO2)	1573
		硫化氢(H2S)	1578

根据本发明提出的方法搭建了如图1和图2所示的系统，在整个系统中，通过光开关的切换作用构成传感网络，从而实现准分布式气体传感检测的目的。由于光纤有源内腔在激射波段内输出在较宽波长范围内可连续调谐的激光信号，因此可以在一个气室中同时检测多种气体；同时，光信号在激光器腔内多次通过气室，增加了气体吸收的强度。该系统与传统气体传感系统相比，具有实现准分布式多种混合气体同时传感识别的能力。

实施例2：基于有源内腔吸收光谱法的气体种类识别系统最佳实施方案

采用FBG作为参考臂的系统原理图如图1所示。

该系统中，EDFA1、可调谐光衰减器2、可调谐光滤波器3以及光耦合器4构成光纤有源内腔。可调谐光衰减器用于调节系统损耗大小。数据采集卡5输出锯齿波电压，经放大后用于驱动可调谐光滤波器，从而实现光纤环腔激光器的波长扫描。通过可调谐光滤波器的窄带光由光耦合器4进行分束，一束由光电探测器6检测激光功率，另一束输入EDFA进行放大以实现自激振荡。

由光环型器10输出的光信号，经过光耦合器11，一束进入气体传感网络，另一束进入参考臂。

一个气室7和一支光纤Faraday旋光反射镜8连接构成一路气体传感器，多路气体传感器与光开关9连接构成气体传感网络。气室采用C-lens实现空间光路与光纤光路耦合。光纤Faraday旋光反射镜的作用是使信号光在环路中每运行一周就可以两次经过气室，从而使气体的有效吸收光程增大一倍。反射镜内部有一个旋光晶体，确保输入光和输出光的振动方向相互垂直，避免二者之间发生干涉。光开关在不同气体传感器之间进行切换可依次检测各气室中的气体，从而实现了准分布式气体传感。气体传感网络通过光环形器与光纤环路连接。

中心波长已知的FBG12为系统提供参考波长。通过可调谐光滤波器的波长-电压关系，可以得出待测气体的吸收波长，这样，便实现了气体种类的快速、准确识别。

图2所示系统的参考臂中将FBG换成了F-P标准具和光隔离器，其原理与采用FBG作为参考臂的原理相同。此处，光束通过光耦合器15进入F-P标准具，形成多个等距的梳状参考波长；光隔离器14的作用是使F-P标准具的透射光单向传输。

实施例3：运用系统进行气体种类识别实验最佳实施方案

如图1所示的系统，当可调谐光滤波器驱动电压的慢变包络由0V逐渐变换至7V时，待测气体和参考臂中FBG阵列的二次谐波曲线如图3所示。左边四条大的尖峰为FBG阵列的二次谐波谱线，右侧若干条小峰为待测气体吸收峰的二次谐波谱线，图中可分辨不少于9条待测气体的吸收谱线。四支FBG的中心波长分别为1550.103nm、1552.857nm、1554.455nm和1558.017nm，采用(1)式对FBG的中心波长和二次谐波谱峰值位置进行二次曲线拟合，建立波长-电压关系式，再根据待测气体吸收峰对应的驱动电压计算气体吸收峰的波长。

${\mathrm{\λ}}_k=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{v}_k^i,k=\mathrm{1,2},\·\·\·---\left(1\right)$

其中，λ_k为透射波长，v_k为对应的驱动电压，{a_i}为采用最小二乘法由实验数据计算得到的多项式拟合系数，N为拟合误差达到最小时对应的拟合次数。

采用该方法计算出待测气体最强吸收峰的位置为1530.697nm，查询光谱数据库可知乙炔气体的理论值1530.371nm，与实验计算结果仅相差0.326nm。结合表1可知：在近红外波段，不同气体的吸收波长不同，并且吸收带之间间隔一般不低于几个纳米，因此可确定待测气体为乙炔。

以上便是运用基于有源内腔吸收光谱法的气体种类识别系统进行乙炔气体检测的实验。此系统中，EDFA中增益光纤的掺杂介质为铒，掺铒光纤在1550nm附近的增益带覆盖了多种气体的吸收谱线，表1中列出了几种主要的有害气体。改变增益光纤的掺杂介质，可进一步扩大激射频段，实现更多种类气体的检测。

Claims (6)

1.一种基于有源内腔吸收光谱的气体种类识别方法，其特征在于该方法包括：

第一、采用输出波长已知的F-P标准具或FBG实现可调谐光滤波器的非线性标定，建立可调谐光滤波器的波长-电压关系曲线并对其进行多项式拟合；

第二、将盛有待测气体的气室放入光纤有源内腔中，当待测气体的吸收光谱位于有源内腔的激射波段内时，采用光电探测器采集待测气体的吸收谱线，根据气体吸收谱线对应的驱动电压值，由第一步得到的波长-电压关系曲线计算待测气体的吸收波长值；

第三、根据光谱数据库HITRAN可查询确定气室中待测气体的种类。

2.一种实现权利要求1所述方法的气体种类识别装置，其特征在于该装置包括：

第一部分、光纤有源内腔：依次由掺铒光纤放大器EDFA、可调谐光衰减器、光环型器、可调谐光滤波器以及第一光耦合器串接构成光纤有源内腔，数据采集卡与可调谐光滤波器的电信号端②连接，数据采集卡输出的锯齿波电压经放大后用于驱动可调谐光滤波器，从而实现光纤有源内腔的波长扫描；可调谐光滤波器输出的窄带光由第一光耦合器进行分束，一束输入光探测器用于检测激光功率，另一束输入EDFA进行放大以实现自激振荡；

第二部分、参考臂：该参考臂与第二光耦合器端子②连接，并通过第二光耦合器与第一部分光纤有源内腔中的光环型器的端子②连接，用于为气体种类识别装置提供标准参考波长；

第三部分、气体传感识别网络：包括一个光开关和N路由气室及光纤Faraday旋光反射镜构成的气体传感识别支路，其中N为大于等于2的自然数；该气体传感识别网络中的光开关与第二光耦合器端子③连接，并通过第二光耦合器与第一部分光纤有源内腔中的光环型器的端子②连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于第二部分所述的参考臂采用中心波长已知的FBG作为波长参考臂，FBG①端与第二光耦合器端子②连接，并通过第二光耦合器与第一部分光纤有源内腔中的光环型器的端子②连接。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于第二部分所述的参考臂采用F-P标准具作为参考臂，输入光束通过第三光耦合器进入F-P标准具，形成多个等距的梳状参考波长；F-P标准具输出光再经过光隔离器和第三光耦合器的端子③连接，并通过第二光耦合器与第一部分光纤有源内腔中的光环型器的端子②连接，使F-P标准具的透射光单向传输。

5.根据权利要求2、3或4所述的装置，其特征在于光纤有源内腔的放大器不仅可以采用基于掺铒光纤的放大器，掺杂光纤的掺杂介质还可以是Nd³⁺、Ho³⁺、Dm³⁺或Yb³⁺离子，改变掺杂介质可以扩大激光器的激射频段。

6.根据权利要求2、3或4所述的装置，其特征在于所述的光纤有源内腔属于但不限于光纤激光器，还可以是半导体激光器、固体激光器或染料激光器。

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