CN102735643B - 利用自定标的光腔衰荡光谱测量水汽含量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量气体中的水汽含量的装置，该装置利用光腔衰荡光谱对测量单位进行自定标，该装置包括激光器、光衰荡腔、光电探测器和数据采集器，其中所述激光器用于输出激光到所述光衰荡腔；所述光衰荡腔是一个光学谐振腔，用于容纳待测气体，并使入射到其中的激光来回多次反射，输出一逐渐衰荡的激光；所述光电探测器用于接收由所述光衰荡腔出射的激光，根据该出射激光的光强生成一个电信号，利用该电信号能够计算所述出射激光的衰荡时间，而该衰荡时间能够用于计算所述待测气体中的水汽含量；所述触发数据采集器用于接收和记录所述光电探测器输出的所述电信号。本发明基于光腔衰荡光谱进行的，并利用了固定的光腔长度实现了测量单位的自定标，达到了准确定量测量的要求。

Description

利用自定标的光腔衰荡光谱测量水汽含量的装置和方法

技术领域

本发明属于水汽含量测量技术领域，具体涉及水汽含量测量的定标，特别是涉及一种利用自定标的光腔衰荡光谱测量水汽含量的装置和方法。

背景技术

气体中的水汽含量是气候观测和很多工业应用中必须观测的重要参数。通过测量水汽含量可以获得气体的湿度。目前测量湿度的方法主要有三种。一种是干湿球法，是在相同风速下，用两个完全相同规格的温度计，一干一湿，测量两温度计的温度差，然后计算相对湿度的方法，其操作简单，但是精度很低，仅有5％到7％的相对湿度。另一种是电子式传感器法，是利用湿敏传感器测量湿度，但是目前所使用的测湿传感器线性度不高，使得测量精度受到限制。第三种是露点法，通过降低测量样品的温度，使之结露，测量此时的温度。结露时温度的饱和蒸汽压与样品原温度时的饱和蒸汽压之比即是相对湿度。露点法相对另两种方法精度较高，但是对气体中的杂质敏感，对气体速度波动敏感，无法测量很低的湿度。

由于水分子在近红外波段存在大量的强度各异的吸收谱线，因而可根据被测气体湿度的范围，选择合适的水吸收线作为参考，通过对水分子吸收光谱的测量来实现对气体中水分子含量进行测定，从而实现对水汽含量(湿度)的准确测量。例如选定水分子在频率v₀处的吸收谱线，在吸收峰附近扫描激光器频率v(单位cm^-1)测量其吸收光谱，得到相应的吸收率α(v)(单位cm^-1)，即可对光谱进行数值拟合，得到吸收峰的面积，由公式

kN＝∫α(v)dv

可以直接得到水分子密度N(单位：个分子/毫升)，其中k为所选定谱线的强度(单位：厘米/个分子)，可以从HITRAN等光谱数据库查得。如果同时用温度计测得温度T，就可得到水汽分压：P_水＝Nk_BT(k_B为玻尔兹曼常数)，比较该温度下的水汽饱和气压值和样品其的总压，就可以得到相对湿度值。但是传统的光谱方法灵敏度低，难以对湿度比较低的对象进行测量。

而光腔衰荡光谱技术是一种十分灵敏的吸收光谱探测技术，探测灵敏度高，而且动态范围大，可以适应不同的测量环境。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是传统的湿度测量方法对水汽含量的测量精度低、动态范围小，且难于测量低温对象。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种测量气体中的水汽含量的装置，该装置利用光腔衰荡光谱对测量单位进行自定标，该装置包括激光器、光衰荡腔、光电探测器和数据采集器，其中所述激光器用于输出激光到所述光衰荡腔；所述光衰荡腔是一个光学谐振腔，用于容纳待测气体，并使入射到其中的激光来回多次反射，输出一逐渐衰荡的激光；所述光电探测器用于接收由所述光衰荡腔出射的激光，根据该出射激光的光强生成一个电信号，利用该电信号能够计算所述出射激光的衰荡时间，而该衰荡时间能够用于计算所述待测气体中的水汽含量；所述触发数据采集器用于接收和记录所述光电探测器输出的所述电信号。

根据本发明的一种优选实施方式，该装置还包括光开关和触发控制器，所述光开关设置于所述激光器输出的激光路径上，用于根据所述触发控制器产生的一个触发信号来打开或关闭，以使所述激光通过该光开关而输出到所述光衰荡腔，或者阻止该激光通该光开关；所述触发控制器用于比较由所述光电探测器生成的所述电信号与一个预先设定的阈值信号，当该电信号的幅度超过该阈值信号的幅度时，产生所述触发信号，并将该触发信号发送到所述光开关和所述触发数据采集器；所述触发数据采集器在所述触发信号的控制下接收和记录所述光电探测器输出的所述电信号。

根据本发明的一种优选实施方式，该装置还包括一个激光扫描控制器8，其用于控制所述激光器输出激光的波长。

根据本发明的一种优选实施方式，该装置还包括一个光束调节装置，其位于所述光开关与所述光衰荡腔之间，用于接收通过所述光开关的激光，对该激光的光束方向和束径进行调节后使其耦合进入所述光衰荡腔。

根据本发明的一种优选实施方式，所述光束调节装置是一个镜组，该镜组由一个透镜和一个反射镜构成，经调节后的激光的空间模式和所述光衰荡腔匹配，使其基横模光能够高效率地进入该光衰荡腔，而其高阶横模则被抑制。

根据本发明的一种优选实施方式，所述激光器为分布式反馈半导体激光器。

根据本发明的一种优选实施方式，所述光开关的开关速度小于1微秒。

根据本发明的一种优选实施方式，所述光衰荡腔是一个由高反射率镜组成的光学谐振腔。

根据本发明的一种优选实施方式，所述触发数据采集器用于记录所述电信号幅度随时间的变化，记录总时间为1毫秒，时间分辨率为1微秒。

本发明还提出一种测量气体中的水汽含量的方法，该方法利用光腔衰荡光谱对测量单位进行自定标，该方法包括如下步骤：输出激光到一个光衰荡腔，控制所述该激光的中心波长作步阶式扫描，所述激光波长的扫描步长为所述光衰荡腔的自由光谱范围的1/10至1/100，同时控制该激光波长在中心波长附近快速小范围震荡；当所述激光的频率与所述光衰荡腔满足共振条件而形成共振时，触发一个衰荡事件，此时，所述光衰荡腔出射一个逐渐衰荡的激光；根据该出射激光的光强生成一个电信号；记录该电信号，并利用该电信号计算所述出射激光的衰荡时间，并利用该衰荡时间计算所述待测气体中的水汽含量。

三、有益效果

本发明的测量气体中的水汽含量装置和方法是基于光腔衰荡光谱进行的，并利用了固定的光腔长度实现了测量单位的自定标，达到了准确定量测量的要求。

并且本发明通过选择水分子在近红外波段(如在1.3-1.7微米的通讯波段)不同强度的吸收线(吸收系数k在10^-24～10^-20厘米/分子水平)，使得测量精度提高，动态范围增加，并能实现对气体中水汽含量进行测定，水汽浓度测量范围覆盖达到1×10^-8到2％。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中利用自定标的光腔衰荡光谱测量气体中水汽含量的装置的结构示意图；

图2是采用自定标衰荡光谱测量气体吸收系数的数据图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明利用自定标的光腔衰荡光谱技术方法来实现对气体中水汽含量进行测量。

根据本发明的方法，将气体样品置于由一对平凹镜组成的光学腔(以下称之为光衰荡腔)中。

一束连续激光经过一个光开关后进入该光衰荡腔，当其满足共振条件时，会有一部分光穿过光衰荡腔并射出；光探测器测得射出光后，触发光开关关闭，此后透射光会随时间以指数形式衰减，这被称为一个衰荡事件。拟合衰荡事件，会得到一个特征时间(衰荡时间)τ，它与光腔镜片反射率R和样品吸收率α有关，其关系如下：

$\frac{1}{\mathrm{c\τ}\left(v\right)}=\frac{-\ln R}{L}+\mathrm{\α}\left(v\right)=\frac{1}{c{\mathrm{\τ}}_0}+\mathrm{\α}\left(v\right)$

其中L为光衰荡腔的长度，c为光速，τ₀为不存在吸收时的衰荡时间。

在测量过程中需要扫描激光频率，扫描范围一般需要在吸收线中心附近约3～30GHz左右，以得到整个吸收谱线的线形，这样才能得到样品气中中水分子的绝对含量。由于一般连续激光器(特别是广泛使用的二极管激光器)的频率扫描对扫描控制量(电流或者温度等)依赖关系各不相同，重复性也不是很好，而且存在非线性，因此在测量中的频率定标是必须考虑的一个关键问题。

一般需要外加光学标准来具体实现频率定标，这增加了装置成本，也使得测量光路更为复杂，不利于装置的小型化。本发明的方案是基于利用测量中所使用的光衰荡腔，由于其本身就是一个很好的光学标准具，利用其共振腔模间的频率间隔(自由光谱范围，FSR)FSR＝1/(2nL)，其中n为气体折射率，L为光腔长度，一般为数十厘米，FSR一般在0.01cm^-1(300MHz)，其自身对透射光具有频率选择特性，只有频率与其腔模共振(为FSR整数倍)的光才可能透射，因此其本身可以被用来作为测量中所需要的频率定标，实现准确的定量测量。

本发明采用高精细度的光衰荡腔，选择水分子在近红外波段的吸收线，通过测量该吸收线的光衰荡光谱，同时利用光衰荡腔自身作为光学标准具，对所测得的光谱进行频率定标，从而实现对吸收光谱的准确测量，得到样品气体中的水汽含量，或进一步根据温度等参数得到气体的湿度值。

下面以具体实施例的方式对本发明的技术方案进行详细说明。

图1是本发明的一个实施例中利用自定标的光腔衰荡光谱测量气体中水汽含量的装置的结构示意图。如图1所示，所述装置包括激光器1、光开关2、镜组3、光衰荡腔4，光电探测器5、触发控制器6和数据采集器7。

所述激光器1用于输出激光，具体为单频可调谐的连续激光，其工作波段可选为1.3～1.7微米的通讯波段。在该实施例中，该激光器1是分布式反馈半导体激光器，其激光器工作波段为1.39μm。

可选的，在所述激光器1输出的激光路径上设置所述光开关2，所述光开关2能够根据所述触发控制器6产生的触发信号来打开或关闭，以控制该激光通过该光开关2或阻止其通过该光开关2。根据本发明，所述光开关为一个高速光开关，开关速度需小于1微秒。在该实施例中，所述光开关2是一个声光调制器。

所述光衰荡腔4是一个光学谐振腔，使入射到其中的激光来回多次反射，在输出端产生逐渐衰荡的激光输出。如前所述，光衰荡腔是一个由高反射率镜组成的光学谐振腔，反射镜的反射率一般为99.9％以上。在该实施例中，光衰荡腔4包括一对反射率达99.99％的高反射率平凹镜，镜片间距0.5米，镜片凹面曲率半径1米。该光衰荡腔4还用于容纳需要测量水汽含量的待测的气体样本。

所述光电探测器5用于接收由所述光衰荡腔4出射的激光，根据其光强生成一个电信号，并将该电信号送入所述触发控制器6。在该实施例中，所述光电探测器5是一个砷化镓二极管探测器，带宽10MHz。

该触发控制器6用于比较来自所述光电探测器5产生的电信号和一个预先设定的阈值信号，当该电信号的幅度超过该阈值信号幅度时，产生前述触发信号，并将该触发信号发送到所述光开关3和所述触发数据采集器7。在该实施例中，所述电信号是光电探测器5探测激光衰荡产生的光电信号，所述阈值信号是一个幅度为0.2V的直流电平信号，所产生的触发信号是一个TTL信号。

所述触发数据采集器7用于在所述触发信号的控制下，接收和记录所述探测器5输出的电信号。根据本发明的实施例，该触发数据采集器7记录该电信号幅度随时间的变化，记录总时间1毫秒，时间分辨率为1微秒，该电信号记录后通过指数拟合得到衰荡时间τ，根据该衰荡时间τ可以计算所述光衰荡腔4中的气体中水汽含量。

本发明的装置还可包括一个激光扫描控制器8，其用于控制激光器1输出的激光的波长大小，并与数据采集器7联动，以实现激光波长扫描与数据采集的时序同步。

本发明的装置在光开关2与光衰荡腔4之间还可包括一个光束调节装置，用于接收通过所述光开关2的激光，并对该激光的光束方向和束径进行调节后使其耦合进入所述光衰荡腔4。在该实施例中，该光束调节装置是一个镜组3，该镜组3由一个透镜和一个反射镜构成，经调节后的激光空间模式和光衰荡腔4匹配，使得其基横模光能够高效率地进入光衰荡腔，而高阶横模被抑制(一般需要达到10∶1以上)。

下面描述根据本发明的装置进行测量的方法。总的来说，该方法利用光腔衰荡光谱对测量单位进行自定标，其利用前述的装置，并且包括如下步骤：使所述激光器1输出激光，打开所述光开关2；控制所述激光器1输出的激光的中心波长作步阶式扫描，所述激光波长的扫描步长为所述光衰荡腔4的自由光谱范围的1/10至1/100，同时控制该激光波长在中心波长附近快速小范围震荡；当所述激光的频率与所述光衰荡腔4满足共振条件而形成共振时，触发一个衰荡事件，光电探测器5接收由所述光衰荡腔4出射的激光，并根据该出射激光的光强生成一个电信号，并将该电信号送入所述触发控制器6，使所述触发控制器6产生一个触发信号，并将该触发信号分别输入到所述光开关2所述触发数据采集器7；当所述光开关2接收到该触发信号时，切断所述激光器1输出的激光，所述触发数据采集器7记录所述光电探测器5输出的电信号，利用该电信号计算所述出射激光的衰荡时间，并利用该衰荡时间计算所述待测气体中的水汽含量；当一个衰荡事件被记录后，重新打开所述光开关2。

具体来说，当本发明的装置启动时，使激光器1开始输出激光，并使光开关2打开。在测量过程中，所述激光扫描控制器8控制激光器1输出的激光的中心波长作步阶式扫描，所述激光波长的扫描步长远小于所述光衰荡腔4的自由光谱范围(约为1/10至1/100，本实例中扫描步长30MHz，光衰荡腔4自由光谱范围300MHz)，同时控制激光波长在中心波长附近快速小范围振荡(本实施例中振荡范围20MHz，振荡周期1毫秒)。当激光频率恰好与光衰荡腔4的腔模满足共振条件而形成共振时(激光频率和某一个腔模相等)，则触发一个衰荡事件。

当本发明的测量装置触发一个衰荡事件时，光电探测器接收由光衰荡腔4出射的激光，根据该出射激光的光强生成一个电信号，并将该电信号送入所述触发控制器6，所述触发控制器6产生一个触发信号，该触发信号分别输入到光开关3和触发数据采集器7。

当光开关3接收到该触发信号时，切断入射光，触发数据采集器7开始记录光电探测器5输出的电信号，该电信号记录后通过指数拟合得到衰荡时间τ，根据该衰荡时间τ可以计算所述光衰荡腔4中的气体中水汽含量。当一个衰荡事件被记录后(在本实例中设定为1毫秒)，光开关2被重新打开，等待记录下一个衰荡事件。

在整个激光波长扫描过程中，本发明的装置探测到并记录的多次衰荡事件时的激光频率间隔就是FSR频率，而FSR频率可以通过测量光衰荡腔4的腔长，并利用公式FSR＝1/(2nL)直接计算得到。由于腔长的测定相对简单，该方法可以将激光相对频率(波长)标定到足够的精度(在本实例中小于3MHz)，由于水分子吸收谱线线宽为1GHz左右或更大，因此该标定方法对吸收谱线的标定精度可达到0.3％或更好的水平，可以实现对所获得光谱的直接频率定标。整个数据标定和分析均为现有技术，可通过后续的在线或离线分析软件进行自动处理。

图2是一个根据本发明的一个实施例的采用自定标衰荡光谱测量得到的气体吸收系数的数据图，其中横轴是激光频率不同的扫描位置，纵轴是测得的吸收系数值。在该图所示数据的测量过程中，激光波长从低向高扫描，如果激光器1输出的激光与光衰荡腔4形成共振，则触发一个衰荡事件，该衰荡事件的衰荡时间被触发数据采集器7记录(图2中的上部曲线)，如果没有触发衰荡事件，则直接进入下一步阶的扫描，此时只记录一个无效的基准值(图中下部平线)。因为上部曲线中每组数据点之间的频率间距就是光衰荡腔的自由光谱范围频率，测量结束后，即可利用此特性对上部曲线进行光谱拟合，得到所需要的样品积分吸收率，并由∫α(v)dv＝kN得到气体中水分子密度，从而获得其水汽含量，或进一步根据气体温度、总压力获得其湿度等参数。利用气体吸收系数计算湿度的方法均为本领域公知常识，故在此不再赘述。

在该实施例中，选定激光器1工作波段为1.39微米附近，镜组3的反射镜的反射率约99.99％，衰荡光腔4的长度约50厘米，装置可探测的最小吸收率α_min可达约1×10^-9波数(cm^-1)，而在1个大气压下，水分子的吸收线宽约0.1cm^-1，此波段的强吸收线强度k约为1×10^-20厘米/分子，因此可探测到的最小水分子密度N＝1×10^-9×0.1/(1×10^-20)＝10¹⁰分子/毫升，标准大气中分子密度约为2.7×10¹⁹分子/毫升，即浓度约为0.4ppb。在水分子浓度比较高时(常温下最大可达约2％)，由于水分子的吸收线在近红外波段分布极广，强度差异可达数个量级，因此只需要选择相对比较弱的吸收线进行同样的测量(在同一个波段约20纳米范围内，即存在许多强度从10^-24到10^-20厘米/分子的水分子吸收线)，即可实现对水汽含量从约10ppb到2％的样品气进行定量测定。在测得被测气体中水分子密度(N)后，只需要根据被测气体的压力和温度，即可获得其湿度值，因此本方法同样适用于对环境湿度的测量。

发明人经过多次实验总结出本发明的利用自定标的光腔衰荡光谱测量气体中水汽含量(湿度)的系统，具有极大的应用价值和前景。本发明还可以拓展到对气体中其他分子的含量进行测定。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量气体中的水汽含量的装置，该装置利用光腔衰荡光谱对测量单位进行自定标，其特征在于，该装置包括激光器(1)、光衰荡腔(4)、光电探测器(5)和触发数据采集器(7)，其中

所述激光器(1)用于输出激光到所述光衰荡腔(4)；

所述光衰荡腔(4)是一个光学谐振腔，用于容纳待测气体，并使入射到其中的激光来回多次反射，输出一个逐渐衰荡的激光；

所述光电探测器(5)用于接收由所述光衰荡腔(4)出射的逐渐衰荡的激光，根据该逐渐衰荡的激光的光强生成一个电信号，利用该电信号能够计算所述出射的逐渐衰荡的激光的衰荡时间，而该衰荡时间能够用于计算所述待测气体中的水汽含量；

所述触发数据采集器(7)用于接收和记录所述光电探测器(5)输出的所述电信号；

该装置在测量过程中，所述激光器(1)输出的激光的中心波长作步阶式扫描，所述激光波长的扫描步长远小于所述光衰荡腔(4)的自由光谱范围，同时控制激光波长在中心波长附近快速小范围振荡；当激光频率恰好与所述光衰荡腔(4)的腔模满足共振条件而形成共振时，则触发一个衰荡事件。

2.如权利要求1所述的测量气体中的水汽含量的装置，其特征在于，该装置还包括光开关(2)和触发控制器(6)，

所述光开关(2)设置于所述激光器(1)输出的激光路径上，用于根据所述触发控制器(6)产生的一个触发信号来打开或关闭，以使所述激光通过该光开关(2)而输出到所述光衰荡腔(4)，或者阻止该激光通该光开关(2)；

所述触发控制器(6)用于比较由所述光电探测器(5)生成的所述电信号与一个预先设定的阈值信号，当该电信号的幅度超过该阈值信号的幅度时，产生所述触发信号，并将该触发信号发送到所述光开关(2)和所述触发数据采集器(7)；

所述触发数据采集器(7)在所述触发信号的控制下接收和记录所述光电探测器(5)输出的所述电信号。

3.如权利要求2所述的测量气体中的水汽含量的装置，其特征在于，该装置还包括一个激光扫描控制器(8)，其用于控制所述激光器(1)输出激光的波长。

4.如权利要求2所述的测量气体中的水汽含量的装置，其特征在于，该装置还包括一个光束调节装置，其位于所述光开关(2)与所述光衰荡腔(4)之间，用于接收通过所述光开关(2)的激光，对该激光的光束方向和束径进行调节后使其耦合进入所述光衰荡腔(4)。

5.如权利要求4所述的测量气体中的水汽含量的装置，其特征在于，所述光束调节装置是一个镜组(3)，该镜组(3)由一个透镜和一个反射镜构成，经调节后的激光的空间模式和所述光衰荡腔(4)匹配，使其基横模光能够高效率地进入该光衰荡腔(4)，而其高阶横模则被抑制。

6.如权利要求2所述的测量气体中的水汽含量的装置，其特征在于，所述激光器(1)为分布式反馈半导体激光器。

7.如权利要求2所述的测量气体中的水汽含量的装置，其特征在于，所述光开关(2)的开关速度小于1微秒。

8.如权利要求2所述的测量气体中的水汽含量的装置，其特征在于，所述光衰荡腔(4)是一个由高反射率镜组成的光学谐振腔。

9.如权利要求2所述的测量气体中的水汽含量的装置，其特征在于，所述触发数据采集器(7)用于记录所述电信号幅度随时间的变化，记录总时间为1毫秒，时间分辨率为1微秒。

10.一种测量气体中的水汽含量的方法，该方法利用光腔衰荡光谱对测量单位进行自定标，其特征在于包括如下步骤：

输出激光到一个光衰荡腔(4)，控制该激光的中心波长作步阶式扫描，所述激光中心波长步阶式扫描的扫描步长为所述光衰荡腔(4)的自由光谱范围的1/10至1/100，同时控制该激光波长在中心波长附近快速小范围震荡；

当所述激光的频率与所述光衰荡腔(4)满足共振条件而形成共振时，触发一个衰荡事件，此时，所述光衰荡腔(4)出射一个逐渐衰荡的激光；

根据该出射激光的光强生成一个电信号；

记录该电信号，并利用该电信号计算所述出射激光的衰荡时间，并利用该衰荡时间计算待测气体中的水汽含量。