CN107543620B - 一种基于光开关切换的激光光线偏折效应校正装置 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种基于光开关切换的激光光线偏折效应校正装置，所用元件包括：二选一光开关、可见光激光器、可调谐二极管激光器、光电探测器。通过以下步骤实现激光光线偏折效应校正：通过控制可见光激光器和可调谐二极管激光器，将激光信号的波形调制成频率、相位相同的三角波，分别称为校准光与测试光，两束激光通过光纤进入二选一光开关；二选一光开关在校准光与测试光之间高速切换，两路激光信号交替从光开关出射，穿过温度场，被单个光电探测器接收；对比校准光的期望光强与实测光强，得到光线偏折效应造成的光强波动系数曲线；利用该系数曲线修正测试光，得到测试光由于吸收衰减之后的光强值，从而校正了光线偏折效应的影响。本发明利用光开关实现了对光线偏折效应的有效修正，在激光吸收光谱领域有重要的使用价值和广阔的应用前景。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种基于光开关切换的激光光线偏折效应校正装置，具体涉及利用光开关切换校准光与测试光，利用校准光校正测试光，从而解决在激光吸收光谱温度测量过程中遇到的光线偏折问题。
(二)背景技术
燃烧温度场的精确测量对于航空、航天发动机设计、锅炉燃烧效率优化等领域有非常重要的意义。为了对温度场进行测量，研究者提出了许多接触、非接触式温度测试方法，接触式方法主要包括热电偶法、燃气分析法等，非接触式测量主要包括声学法、光谱法等。热电偶法响应速度慢，测温上限难以满足技术发展的需求；燃气分析法需要对燃烧场进行取样，然后进行离线分析，因此无法获取实时数据；声学法受到燃烧场内颗粒浓度、气流等干扰因素影响较大，抗干扰能力较差。光谱法有效回避了上述缺点，引起研究者的广泛重视与深入研究。光谱法主要包括激光诱导荧光法、相干反斯托克斯拉曼散射光谱法、激光吸收光谱法等。其中，基于激光吸收光谱的温度测量方法具有结构简单、造价相对低廉、可靠性高等优点，被广泛应用于燃烧温度场测量当中，具有广阔的发展前景和应用空间。
利用激光吸收光谱实现温度场测量的原理是：可调谐二极管激光器发射红外测试光，通过控制可调谐二极管激光器可以实现对特征气体吸收谱线的扫描。红外测试光穿过燃烧温度场并被位于燃烧温度场另一端的光电探测器接收。通过分析探测器测得的光强信号可以得到特征气体谱线吸收情况，即不同波长激光的光强衰减，从而计算出特征气体参数，实现燃烧温度场的测量。因此，如何精确获得光强衰减是激光吸收光谱测量的关键。
然而，在利用激光吸收光谱进行温度场测量的过程中，温度场湍流密度梯度变化、设备的机械振动均会导致光线偏折效应，测试光经过被测温度场时受到光线偏折效应的影响，出射光线无法精确对准光电探测器光敏面，导致探测器测得的光强信号随时间波动。而对特征气体吸收谱线的扫描是通过测量光强衰减来实现的，因此光线偏折效应造成的光强波动会对测量结果产生严重影响。为了解决这一问题，研究人员提出了许多方法，如：利用积分球进行光线收集(杨荟楠,郭晓龙,苏明旭,等.基于TDLAS技术在线测量气流道内液膜动态厚度[J].中国激光,2014,41(12).)，积分球入口尺寸较大，可以保证测试光受到光线偏折效应影响之后，仍然可以被全部接收，其作用相当于增大探测器的等效光敏面积，但是由于积分球尺寸限制，接收端的体积无法制作的很小，因此难以将多个接收端密集放置，同时，相较传统方法，探测器测得的光强值是探测器光敏面积与积分球内表面面积之比，因此光强较弱，探测器需要提高增益，导致噪声水平随之提高；又如，设计光线偏折非敏感光线收集系统(Strand C L.Scanned Wavelength-Modulation Absorption Spectroscopywith Application to Hypersonic Impulse Flow Facilities[D].StanfordUniversity,2014.)，该方法原理与积分球类似，通过大口径透镜提高探测器等效光敏面积，达到收集全部入射光的效果，然而光线偏折非敏感光线收集系统设计困难，增加了接收端结构的复杂度，同时，该系统相比普通探测器尺寸也有所增加，因此也难以将激光接收端密集放置；另如，增大光束直径(Sur R,Sun K,Jeffries J B,et al.Scanned-wavelength-modulation-spectroscopy sensor for CO,CO 2,CH 4and H 2O in a high-pressureengineering-scale transport-reactor coal gasifier[J].Fuel,2015,150:102-111.)，通过提高光束直径，保证光束即使发生偏折仍然可以照射到探测器光敏面上，然而增大光束直径会导致使用多路激光吸收光谱进行成像时，分辨率大幅降低。
上述方法都可以缓解光线偏折效应带来的影响，但是，没有从根本上修正这一问题。
本发明采用了两束激光，其中测试光为可调谐二极管激光器发射的红外光，可以实现对特征气体吸收谱线的扫描，在穿过温度场过程中同时存在吸收造成的光强衰减和光线偏折效应造成的光强波动；校准光为可见光，穿过温度场时只存在光线偏折效应造成的光强波动。利用二选一光开关在两种激光之间高速切换，通过测量校准光光强获得光线偏折效应造成的波动系数，利用该波动系数对测试光的测量结果进行校正，分离出测试光由于吸收造成的光强衰减，从而校正了光线偏折效应的影响。
(三)发明内容
本发明提出一种基于光开关切换的激光光线偏折效应校正装置，采用光开关在测试光与校准光之间切换，利用校准光实现对测试光的校正，修正光线偏折效应带来的影响。
所用元件包括：二选一光开关、可见光激光器、可调谐二极管激光器和光电探测器等。
本发明采用的技术方案是：通过控制可见光激光器和可调谐二极管激光器，将激光信号的波形调制成频率、相位相同的三角波，进入二选一光开关；二选一光开关在两个光源之间高速切换，切换到可见光激光器发射的校准光时，校准光在可见光波段，因此只受到光线偏折效应影响造成的光强波动；切换到可调谐二极管激光器发射的测试光时，测试光在红外波段，同时受到光线偏折效应影响造成的光强波动和吸收效应影响造成的光强衰减。由于光开关切换速度非常快，可以认为在光开关切换之后，光线偏折效应造成的影响不变；由于校准光与测试光在温度场中折射率基本相同，在两束光穿过温度场过程中受到光线偏折效应影响的光强波动系数基本相同。因此可以通过校准光获得光线偏折效应造成的波动系数，利用该波动系数对测试光的测量结果进行校正，分离出测试光由于吸收造成的光强衰减，从而校正了光线偏折效应造成的影响。
本发明的优点在于：无需特别设计光线收集系统，简化了接收部分的光路，因此可以将光电探测器密集排列，适用于实现多路激光吸收光谱测量。
(四)附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是光电探测器测量结果示意图。
附图标示
图1中：101、可见光激光器 102、可调谐二极管激光器 103、二选一光开关 104.光电探测器
图2中：201、校准光期望光强曲线 202、校准光实测光强曲线 203、测试光实测光强曲线
(五)具体实施方式
在图1中，可见光激光器(101)与可调谐二极管激光器(102)分别发射校准光与测试光，通过光纤与二选一光开关(103)相连，二选一光开关(103)在校准光与测试光之间高速切换，激光从二选一光开关(103)出射，穿过温度场，被光电探测器(104)接收。
步骤一：通过控制可见光激光器和可调谐二极管激光器，将激光信号的波形调制成频率、相位相同的三角波，其中，称可见光激光器发射的可见光波段激光为校准光，称可调谐二极管激光器发射的红外波段激光为测试光；
步骤二：通过光纤，将可见光激光器和可调谐二极管激光器与二选一光开关相连，将两路激光信号导入二选一光开关；
步骤三：控制光开关在校准光与测试光之间高速切换，激光信号交替从光开关出射，穿过温度场，被位于温度场另一端的单个光电探测器接收；
步骤四：单个光电探测器接收交替入射的校准光和测试光，通过插值算法，将两路激光信号补充成完整的光强曲线，校准光的期望光强为I1，经过插值之后的校准光实测光强为I2，经过插值之后的测试光实测光强为I3；
步骤五：由于校准光与测试光在温度场中折射率基本相同，因此在穿过温度场过程中，光线偏折效应造成的光强波动系数基本相同，记为α，光线偏折效应的影响随时间变化，因此α是随时间变化的曲线，通过对比校准光期望光强与校准光实测光强，计算光线偏折效应造成的光强波动系数曲线α；
步骤六：根据步骤5计算出的波动系数曲线α，去除测试光由于光线偏折效应造成的光强波动，得到测试光由于吸收衰减之后的光强曲线I4，即校正了光线偏折效应的影响。
Claims (4)
1.一种基于光开关切换的激光光线偏折效应校正装置，包括二选一光开关、可见光激光器、可调谐二极管激光器和光电探测器，其特征在于，可见光激光器与可调谐二极管激光器通过光纤与二选一光开关相连，二选一光开关在两个光源之间高速切换，两路激光信号交替从二选一光开关出射，穿过温度场，被光电探测器接收，通过上述装置消除光线偏折效应的影响。
2.根据权利要求1所述的一种基于光开关切换的激光光线偏折效应校正装置，其特征在于：二选一光开关在两个光源之间高速切换，两路激光信号交替从二选一光开关出射，由于光开关切换速度非常快，可以认为在光开关切换之后，光线偏折效应造成的影响不变，通过插值算法，将两路交替出射的激光信号补充成完整的光强曲线。
3.根据权利要求1所述的一种基于光开关切换的激光光线偏折效应校正装置，其特征在于：通过控制可见光激光器和可调谐二极管激光器，将激光信号的波形调制成频率、相位相同的三角波，可见光激光器发射可见光波段的校准光，可调谐二极管激光器发射红外波段的测试光；单个光电探测器接收交替入射的校准光和测试光，校准光的期望光强为I1，经过插值之后的校准光实测光强为I2，经过插值之后的测试光实测光强为I3。
4.根据权利要求3所述的一种基于光开关切换的激光光线偏折效应校正装置，其特征在于：对比校准光期望光强I1与校准光实测光强I2，计算光线偏折效应造成的随时间变化的光强波动系数曲线α；
根据公式(1)计算出的光强波动系数曲线α，去除测试光由于光线偏折效应造成的光强波动，得到测试光由于吸收衰减之后的光强I4，即校正了光线偏折效应的影响：
。
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