CN107560754A - 一种基于调制锯齿波信号的激光光线偏折校正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种基于调制锯齿波信号的激光光线偏折校正装置及方法，所用元件包括：可见光激光光源、红外可调谐激光光源、光纤耦合器、准直器、二向色分光片、光电探测器等。该方法包括以下步骤：首先控制可见光激光光源与红外可调谐激光光源，使其以相同幅值及相位的、经过高频正弦波调制的锯齿波扫描信号发出校准光和探测光。两路光穿过被测温度区域后均会受到光线偏折效应的影响而发生光强波动，光强波动将反映在正弦波的振幅变化上。提取校准光正弦波信号的振幅变化可以获得光线偏折效应造成的光强波动情况。利用校准光的正弦波振幅变化对探测光光强信号进行修正，仅保留激光吸收对应的信息，从而实现对光线偏折效应的校正。在激光吸收光谱波长调制法应用中具有重要的使用价值和广阔的应用前景。

Description

一种基于调制锯齿波信号的激光光线偏折校正装置及方法

(一)技术领域

本发明涉及一种基于调制锯齿波信号的激光光线偏折校正装置及方法，具体涉及以相同强度的、经过高频正弦波调制的锯齿波扫描信号输出校准光和探测光信号，利用校准光正弦波调制信号的振幅变化对探测光光强信号进行修正，从而实现对激光吸收光谱波长调制测温法中遇到的光线偏折效应的校正。

(二)背景技术

温度场分布是反映燃烧状况的主要参数之一，对燃烧温度变化的在线监测有助于了解并改善燃烧器的燃烧状况，进而提高燃烧效率、降低污染物的排放。目前主要的燃烧温度测量方法激光光谱诊断技术，包括，相干反斯托克斯拉曼散射光谱(CARS)和平面激光诱导荧光 (PLIF)及激光吸收光谱技术(LAS)。其中，CARS)和PLIF两种方法测量精度相对较高，但其光学结构非常复杂，对现场光路调节和信号处理有较高的技术要求。LAS的测量速度快，响应时间可达到亚毫秒级；浓度测量灵敏度高，可达到ppm量级。燃烧室中包含的多种燃烧产物、微小的固体碳颗粒对激光强度的影响包括吸收和散射。而采用LAS技术，无论是由于吸收还是散射而导致的激光强度的衰减，在相当宽的一段频域内，燃烧产物及颗粒对激光强度的影响基本是一致的。这个特点使得LAS测量技术几乎不受燃烧产物和微小颗粒存在的影响，也保证了采用LAS技术进行燃烧室温度场测量的精度。此外，采用LAS技术测量温度分布无需采集样气，激光器和探测器直接安装在燃烧室壁面的测量现场，且测量设备本身与被测气体完全隔离，具有极好的环境适应性。

LAS技术的典型测温方法分为直接吸收法和波长调制法，直接吸收光谱法是利用锯齿波信号调制激光器的输出激光，使之扫过整个吸收线线型，通过积分整个吸收线型，得到的积分吸收率，进而计算温度。然而，当吸收较弱或高压下谱线重叠无法获取未吸收基线时，直接吸收法测量受到限制，需要使用波长调制光谱法。其基本实现方法是，将高频的正弦波叠加到用于波长扫描的低频锯齿波上，调制波形将反映在介质的透射光强上，通过分析透射光强在高频调制频率分量上的强度信息，可以准确的得到吸收信息，从而排除背景噪声对测量的影响。在使用波长调制法的时候，能否精确获得经过被测温度场后的光强吸收情况是关键。

然而，燃烧过程自身具有瞬态变化、随机湍流、环境恶劣等特征，在利用激光吸收光谱进行燃烧温度场测量的过程中，湍流燃烧过程导致气体膨胀比发生变化，导致温度场湍流密度梯度变化，继而导致激光光线偏折效应。探测光经过被测温度场时，受到光线偏折效应的影响，使透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发生不同程度的变化，对测量结果产生严重影响。国内外研究人员提出一系列方案解决这一问题，。如Almodovar C A等在投射光强信号接收端使用入口尺寸较大的积分球进行光线收集，在增大探测器的等效光敏面积的同时获得均匀的光强分布，进而确保探测光受到光线偏折效应影响之后仍然可以被全部均匀接收(Almodovar C A,Spearrin R M,Hanson R K.Two-color laser absorption near 5μm for temperature and nitricoxide sensing in high-temperature gases[J].Journal of QuantitativeSpectroscopy and Radiative Transfer,2017)。然而，经过积分球投射出来的光强信号变得微弱，对探测器增益要求较高。又如，Strand C L.等设计了光线偏折非敏感光线收集系统，使激光经过被测燃烧温度场之后首先被聚焦透镜汇聚到光纤中，汇聚后的激光通过光纤到达探测器(Strand C L.Scanned Wavelength-Modulation Absorption Spectroscopywith Application to Hypersonic Impulse Flow Facilities[D].StanfordUniversity,2014)。但是该系统设计困难，实验调试难度大，不适合现场应用。此外，斯坦福大学Ritobrata Sur提出增大光束直径的方法，通过增大光束直径，保证即使光束发生偏折仍然可以入射到探测器光敏面上(Sur R,Sun K,Jeffries J B,et al.Scanned-wavelength-modulation-spectroscopy sensor for CO,CO₂, CH₄and H₂O in a high-pressure engineering-scale transport-reactor coal gasifier[J].Fuel,2015, 150:102-111.)。然而该方法得到的光束横截面激光光强分布依然不均匀，不会消除光强抖动。综上所述，现有的解决光线偏折问题的方法都不太理想，为了对火焰内部参数进行有效测量，满足对燃烧过程的有效监测，亟待发展一种可以根本上解决光线偏折问题的新方法。

本发明基于使用校准激光对探测激光进行校准，选用可见光激光光源发出的光线作为校准光，选用近红外可调谐激光光源发出的光作为探测光，首先使用激光控制器控制可见光激光光源与近红外可调谐激光光源，使其以相同幅值及相位的、经过高频正弦波调制的锯齿波扫描信号发出校准光和探测光。在穿过被测温度区域后，两路光穿过被测温度区域后均会受到光线偏折效应的影响而发生光强波动，光强波动将反映在正弦波的振幅变化上。提取校准光正弦波信号的振幅变化可以获得光线偏折效应造成的光强波动情况。利用校准光的正弦波振幅变化对探测光光强信号进行修正。保留激光吸收对应的光强信号，从而实现对波长调制法中遇到的光线偏折效应的校正。

(三)发明内容

本发明提出一种基于调制锯齿波信号的激光光线偏折校正装置及方法，以相同幅值及相位的、经过高频正弦波调制的锯齿波扫描信号形式发出校准光和探测光。光线偏折效应产生的光强波动将反映在正弦波的振幅变化上。得到正弦波调制信号的幅值变化情况后，即可获得光线偏折效应造成的光强波动。利用校准光的正弦波振幅变化对探测光光强信号进行修正，可以最终实现对光线偏折效应的校正。

所用元件包括：可见光激光光源、红外可调谐激光光源、光纤耦合器、准直器、二向色分光片、可见光探测器、红外探测器。

可见光激光光源与近红外可调谐激光光源分别以相同幅值及相位的、经过高频正弦波调制的锯齿波扫描信号形式发出校准光和探测光信号。通过被测温度区域后，因为光线偏折效应而产生的光强波动将反映在正弦波的振幅变化上，探测光信号同时存在吸收和光线偏折效应造成的光强波动；而校准光只存在光线偏折效应造成的光强波动。分别测量经过温度区域后的校准光及探测光信号，提取校准光正弦波信号的振幅变化可以获得光线偏折效应造成的光强波动情况。由于校准光与探测光在温度场中折射率基本相同，因此，可以认为两束光穿过被测温度区域后，受到光线偏折效应影响而产生的光强波动基本相同。利用校准光的正弦波振幅变化对探测光光强信号进行修正，从而实现对波长调制法中遇到的光线偏折效应的校正。

本发明的优点在于：利用高频正弦波信号调制锯齿波扫描信号，提高了测量的灵敏度，光路设计及信号处理过程简单易行，能够实现对激光吸收光谱波长调制测温法中遇到的光线偏折效应的校正。

(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是本发明的光路系统图。

图2是经过被测温度区域前的校准光信号

图3是经过被测温度区域前的探测光信号

图4是经过被测温度区域后的校准光信号

图5是经过被测温度区域后的探测光信号

图6是由于光线偏折产生的校准光正弦波振幅变化情况

图7是消除光线偏折影响后的探测光光强信号

附图标示

图1中：101可见光激光光源 102红外可调谐激光光源 201光纤耦合器 301准直器401二向色分光片 501可见光探测器 601红外光电探测器

(五)具体实施方式

在图1中，控制可见光激光光源101与红外可调谐激光光源102以相同幅值及相位的、经过高频正弦波调制的锯齿波扫描信号形式发出校准光和探测光。校准光与探测光通过光纤耦合器201耦合并经过准直器301入射到被测温度区域，接收端利用二向色分光片401将校准光与探测光分离并分别入射到可见光探测器501和红外光电探测器601上进行检测。

步骤一：控制可见光激光光源与红外可调谐激光光源，使其以相同幅值及相位的、经过高频正弦波调制的锯齿波扫描信号形式发出激光信号，其中，称可见光激光光源发出的可见光波段激光作为校准光，如图2所示；而红外可调谐激光光源发出的红外波段激光作为探测光，如图3所示；

步骤二：校准光与探测光通过光纤耦合器耦合、准直器准直后入射到被测温度区域，接收端利用二向色分光片将校准光与探测光分离并分别入射到可见光和近红外光电探测器上进行检测，经过温度区域后的校准光光强信号和探测光光强信号分别如图4、图5所示。

步骤三：通过被测温度区域后，因为光线偏折效应而产生的光强波动将反映在正弦波信号的振幅变化上，将正弦波分为多个小段，可以认为在某一小段内正弦波的振幅变化足够小，正弦波形状未受到破坏，从信号中分段提取出正弦信号的振幅，得到正弦波调制信号的振幅变化情况A₁(t)，如图6所示。

步骤四：校准光和探测光由光线偏折效应带来的光强波动随时间变化情况基本相同，且入射校准光与探测光具有相同幅值及相位，修正过程中可以不用归一化而直接进行线性运算；将探测光实测光强信号记为I(t)，从中去掉由于光线偏折效应造成的光强波动，修正后的探测光光强信号I₁(t)如图7所示，该信号校正了光线偏折效应的影响，仅保留了激光吸收对应的有用信息，

I₁(t)＝I(t)-A₁(t) (1) 。

Claims (4)

1.一种基于调制锯齿波信号的激光光线偏折校正装置及方法，包括可见光激光光源、红外可调谐激光光源、光纤耦合器、准直器、二向色分光片、光电探测器等，其特征在于控制可见光激光光源和红外可调谐激光光源以相同幅值及相位的、经过高频正弦波调制的锯齿波扫描信号形式，发出可见光激光和红外波段激光，其中可见光激光作为校准光，红外波段激光作为探测光；校准光与探测光通过光纤耦合器耦合、准直器准直后入射到被测温度区域，接收端利用二向色分光片将校准光与探测光分离并分别入射到可见光和近红外光电探测器上进行检测；基于上述过程，利用校准光与探测光信号的光线偏折与激光吸收的特征来消除光线偏折的影响。

2.根据权利要求1所述一种基于调制锯齿波信号的激光光线偏折校正装置及方法，其特征在于，校准光与探测光以相同幅值及相位的、经过高频正弦波调制的锯齿波扫描信号形式发出激光信号，其中一个锯齿波扫描周期内至少包含100个高频正弦波信号以实现对光线偏折效应的细节刻画。

3.根据权利要求1所述一种基于调制锯齿波信号的激光光线偏折校正装置及方法，其特征在于，通过被测温度区域后，因为光线偏折效应而产生的光强衰减将反映在正弦波信号的振幅变化上，将正弦波分为多个小段，可以认为在某一小段内正弦波的振幅变化足够小，正弦波形状未受到破坏，从信号中分段提取出正弦信号的振幅，得到正弦波调制信号的振幅变化情况A₁(t)。

4.根据权利要求1所述一种基于调制锯齿波信号的激光光线偏折校正装置及方法，其特征在于，校准光和探测光由光线偏折效应带来的光强波动随时间变化情况基本相同，且入射校准光与探测光具有相同幅值及相位，修正过程中可以不用归一化而直接进行线性运算；将探测光光强信号记为I(t)，从中去掉由于光线偏折效应造成的光强波动，修正后的探测光光强信号I(t)校正了光线偏折效应的影响，仅保留了激光吸收对应的有用信息，

I₁(t)＝I(t)-A₁(t) (1) 。