CN109141637A - 一种cars信号探测系统动态范围增强装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于大动态范围光信号的测量技术领域，具体涉及一种CARS信号探测系统动态范围增强装置，目的在于解决USEDCARS技术对CARS信号空间分布不均匀性分辨和利用较差的问题。该增强装置包括依次设置的信号耦合透镜、光纤束、光纤耦合器、单色仪、探测器和终端计算机，被测光信号经过信号耦合透镜成像至光纤束入射端，光纤束中的多根光纤对入射光信号进行空间分割后由光纤束输出端出射，光纤束入射端呈面分布，光纤束输出端呈线状排布，光纤束输出端通过光纤耦合器与单色仪相连，光纤耦合器将分割后的光信号成像在单色仪狭缝处，单色仪分光成像系统后，不同的光纤成像在探测器竖直方向不同区域内，由终端计算机获得沿探测器竖直方向强弱不同的光谱信号。
Description
技术领域
本发明属于大动态范围光信号的测量技术领域，涉及二维探测器对光谱信号的探测，具体涉及一种CARS信号探测系统动态范围增强装置。
背景技术
采用激光光谱方法诊断燃烧场，获得燃烧场温度、组分、速度等定量参数信息，对于了解燃烧过程、分析燃烧机理以及开展燃烧模拟等十分重要。其中相干反斯托克斯拉曼散射(简称：CARS)技术是一种较为成熟的激光诊断技术，该技术通常用于燃烧场温度测量，具有抗干扰能力强，测温精度高等优势，在基础燃烧火焰、各类发动机燃烧场温度测量中获得了较为广泛的应用。CARS测温是通过光谱轮廓拟合反演所测对象的温度参数，为此需要测得较高信噪比的光谱信号。但CARS信号强度与入射激光能量的三次方成正比，并且与所探测分子密度的平方成正比，因此诊断系统中入射激光能量波动、所探测分子密度的变化，均会造成光谱信号强度的剧烈变化。测量CARS光谱的装置一般是单色仪和面阵ICCD相机，由于现有ICCD相机的动态范围较小，测量过程中信号强度剧烈变化，当信号强度很小时，所测量的光谱信噪比较差，会造成较大的拟合误差；当信号强度很强时，可能引起相机曝光过度出现饱和现象，造成所测光谱失真。总之，由于现有ICCD相机的动态范围不足，使得CARS测量复杂燃烧场时往往难以获得较为理想的光谱信号，降低温度测量精度。为此必须增大光谱探测系统的动态范围。
USEDCARS(非稳腔增强探测CARS)是CARS技术的一种，该技术泵浦激光采用环形光束结构，并使泵浦激光与斯托克斯激光共轴传输，很好地降低了CARS技术实现高精度相位匹配的难度。该技术中CARS信号空间分布为圆环状，信号均匀性与泵浦光、斯托克斯光的光斑均匀性息息相关。而实际实验中，由于激光光斑不均匀，所产生的信号空间分布均匀性非常差。因此利用透镜将CARS信号通过聚焦方式耦合进单根光纤中，并进行传输后再导入光谱仪中进行探测，这种方式不用考虑信号的空间分布均匀性，实现起来比较方便，但不能够很好地分辨和利用CARS信号空间分布不均匀的特性，更好地为探测CARS信号服务。
发明内容
本发明目的在于克服现有探测器动态范围的不足，解决USEDCARS技术对CARS信号空间分布不均匀性分辨和利用较差的问题，提出一种CARS信号探测系统动态范围增强装置，通过对空间分布不均匀的光信号进行空间分割取样，并分别进行独立探测，实现了对大动态范围光谱信号的可靠探测。
为了完成上述目的，本发明的具体技术解决方案是：一种CARS信号探测系统动态范围增强装置，其特殊之处在于：包括依次设置的信号耦合透镜、光纤束、光纤耦合器、单色仪、探测器和终端计算机；
被测光信号经过信号耦合透镜成像至光纤束入射端，光纤束中的多根光纤对入射光信号进行空间分割后由光纤束输出端出射，光纤束入射端呈面分布，光纤束输出端呈线状排布，
光纤束输出端通过光纤耦合器与单色仪相连，光纤耦合器将分割后的光信号成像在单色仪狭缝处，通过单色仪分光成像系统后，不同的光纤成像在探测器竖直方向不同的区域内，由终端计算机获得沿探测器竖直方向强弱不同的多组光谱信号。
进一步地，光纤束入射端光纤的排布形状为三角形、正方形、矩形、正六边形、圆形或椭圆形。
进一步地，光纤束输出端相邻两根光纤之间的间距为单根光纤直径的1-5倍，优选的，光纤束输出端相邻两根光纤之间的间距为单根光纤直径的1倍。
进一步地，所述光纤束包含的光纤数量为3-19根。
进一步地，所述光纤束包含的光纤为多模光纤。
进一步地，所述探测器是面阵探测器，该面阵探测器测量的光谱范围为200-800nm。
进一步地，所述信号耦合透镜为球面透镜。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过信号耦合透镜将入射信号光成像至光线束入射端，光纤束中的多根光纤对入射光信号进行空间分割后由光纤束输出端出射，光纤束输出端通过光纤耦合器与单色仪相连，光纤耦合器将分割后的光信号成像在单色仪狭缝处，充分利用光信号空间分布不均匀的特点，通过空间分割探测获得了不同强度的光信号；通过单色仪分光成像系统后，不同的光纤成像在探测器竖直方向不同的区域内并分别进行独立探测，在不改变探测设备动态范围的条件下，通过对所测不同强度光信号在探测仪器不同区域成像的方式，由终端计算机获得沿探测器竖直方向强弱不同的多组光谱信号，最终实现了对大动态范围光谱信号的可靠探测。
附图说明
图1是本发明CARS信号探测系统动态范围增强装置的结构示意图；
图2至图5是光纤束入射端光纤的排布形状示意图；其中：
图2是光纤束包含的光纤数量为3根时的结构示意图；
图3是光纤束包含的光纤数量为4根时的结构示意图；
图4是光纤束包含的光纤数量为7根时的结构示意图；
图5是光纤束包含的光纤数量为19根时的结构示意图；
图6至图9是光纤束输出端光纤的排布形状示意图；其中：
图6是光纤束包含的光纤数量为3根时的结构示意图；
图7是光纤束包含的光纤数量为4根时的结构示意图；
图8是光纤束包含的光纤数量为7根时的结构示意图；
图9是光纤束包含的光纤数量为19根时的结构示意图；
图10是光纤耦合器成像结构示意图；
图11从光纤束输出端到单色仪狭缝再到面阵探测器成像过程示意图；
图12为采用本发明增强装置获得的CARS光谱图像。
图中：1—信号耦合透镜；2—光纤束；3—光纤耦合器；4—单色仪；5—探测器；6—终端计算机；7—光纤；8—光纤束入射端；9—光纤束输出端；10—CARS信号图像；11—单色仪狭缝；12—面阵探测器像面。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1和图10，一种CARS信号探测系统动态范围增强装置，包括依次设置的信号耦合透镜1、光纤束2、光纤耦合器3、单色仪4、探测器5和终端计算机6，被测光信号经过信号耦合透镜1成像至光纤束入射端8，光纤束2中的多根光纤7对入射光信号进行空间分割后由光纤束输出端9出射。光纤束输出端9通过光纤耦合器3与单色仪4相连，光纤耦合器3固定在单色仪4狭缝处，并将光纤输出端9的光信号成像在单色仪狭缝11处，所成像与单色仪狭缝11重合，充分利用光信号空间分布不均匀的特点，通过空间分割探测获得了不同强度的光信号。所述探测器5为面阵探测器，探测器5固定在单色仪4的输出端。参见图11，被测光信号经单色仪4分光成像系统后，不同的光纤输出的光信号照射在探测器5竖直方向不同的区域内，探测器5对不同光纤输出的光信号分别进行独立探测，在不改变探测设备动态范围的条件下，通过对所测不同强度光信号在探测仪器不同区域成像的方式，由终端计算机6获得沿面阵探测器像面12竖直方向强弱不同的多组光谱信号，最终实现了对大动态范围光谱信号的可靠探测。形成如图12所示的CARS光谱图像10。
上述增强装置中提供被测光的光源是准平行面光源，被测光信号是平行光，被测光信号的空间强度分布是不均匀的，而且这种不均匀是可以空间上进行分割的。将被测光信号成像至光纤入射面的耦合信号耦合透镜1为球面透镜。探测器5是面阵探测器，该面阵探测器测量的光谱范围为200-800nm。光纤束2包含的光纤数量为3根、4根、7根或19根，所述光纤7为多模光纤，光纤束入射端8呈面分布，参见图2至图5，光纤束入射端8光纤的排布形状为三角形、正方形、矩形、正六边形、圆形或椭圆形；参见图6至图9，光纤束输出端9呈线状排布，光纤束输出端9相邻两根光纤之间的间距为单根光纤7直径的1倍。
应当说明，以上所述的仅是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种CARS信号探测系统动态范围增强装置，其特征在于：包括依次设置的信号耦合透镜(1)、光纤束(2)、光纤耦合器(3)、单色仪(4)、探测器(5)和终端计算机(6)；
被测光信号经过信号耦合透镜(1)成像至光纤束入射端(8)，光纤束(2)中的多根光纤(7)对入射光信号进行空间分割后由光纤束输出端(9)出射，光纤束入射端(8)呈面分布，光纤束输出端(9)呈线状排布，
光纤束输出端(9)通过光纤耦合器(3)与单色仪(4)相连，光纤耦合器(3)将分割后的光信号成像在单色仪(4)狭缝处，通过单色仪(4)分光成像系统后，不同的光纤(7)成像在探测器(5)竖直方向不同的区域内，由终端计算机(6)获得沿探测器(5)竖直方向强弱不同的多组光谱信号。
2.根据权利要求1所述的CARS信号探测系统动态范围增强装置，其特征在于：所述光纤束(2)包含的光纤(7)数量为3-19根。
3.根据权利要求2所述的CARS信号探测系统动态范围增强装置，其特征在于：光纤束入射端(8)光纤的排布形状为三角形、正方形、矩形、正六边形、圆形或椭圆形。
4.根据权利要求1-3任一所述的CARS信号探测系统动态范围增强装置，其特征在于：光纤束输出端(9)相邻两根光纤之间的间距为单根光纤直径的1-5倍。
5.根据权利要求4所述的CARS信号探测系统动态范围增强装置，其特征在于：光纤束输出端(9)相邻两根光纤之间的间距为单根光纤直径的1倍。
6.根据权利要求5所述的CARS信号探测系统动态范围增强装置，其特征在于：所述光纤束(2)包含的光纤(7)为多模光纤。
7.根据权利要求6所述的CARS信号探测系统动态范围增强装置，其特征在于：所述探测器(5)是面阵探测器，该面阵探测器测量的光谱范围为200-800nm。
8.根据权利要求7所述的CARS信号探测系统动态范围增强装置，其特征在于：所述信号耦合透镜(1)为球面透镜。
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