CN109696418B - 一种应用于低信噪比下的tdlas直接吸收法的外差平衡探测系统及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测系统及探测方法，DFB激光器输出调制信号，由经过1×2单模光纤分束器分为探测光和参考光，探测光经过待测环境剧烈衰减。单模光纤时间延迟器使两束光产生相位差，探测光还经过了多模噪声扰模器消除多模噪声，在2×2多模光纤分束器中形成外差干涉。将外差干涉后信号1:1分束，接入平衡探测器，获得降低了探测器噪声的放大干涉信号。本发明将参考光和探测光在1×2单模光纤分束器中产生干涉，由2×2多模光纤分束器均分输出，使其两路输出信号直流量无论探测光是否波动都相同，接入平衡探测器能均衡抗噪，显著提高了实时性和抗噪能力。

Description

一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测 系统及探测方法

技术领域：

本发明涉及一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测系统及探测方法。

背景技术：

可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)是一种基于激光原理的新型光学传感器，它应用于各种环境下的气体浓度和温度非接触测量。它的高速反馈、实时监测的特性使其成为动态过程控制系统中最为重要的测量手段之一。

直接吸收法(DAS)是TDLAS技术中的一种数据处理方法，应用于吸收强度较大的环境中。双线免除标定，不用近似计算等方面是相对WMS波长调制法的优势。而DAS最大的劣势就是抗干扰能力差，信噪比低和信号变形会增大它的探测误差。实验室中为提高信噪比可以使用平衡探测法，通过调节参考光光强减去背景光和探测器噪声，使信号基底为0。但是实际工业应用环节，因为探测信号实时变化，并且衰减往往大于1000倍以上，所以参考光难以自适应调节。

为了在强吸收环境下使用DAS获取有效信号，需要另一种光学和信号处理方法提高DAS抗干扰能力。

发明内容：

本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测系统及探测方法。

本发明所采用的技术方案有：一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测系统，包括DFB激光器、1×2单模光纤分束器、准直器、待测空间、多模噪声扰模器、单模光纤时间延迟器、2×2多模光纤分束器、多模光纤时间延迟器、多模光纤衰减器、平衡探测器和单模光纤衰减器，两所述准直器分别置于待测空间的两侧，且一侧的准直器形成发射端，另一侧的准直器形成接收端；

所述DFB激光器的输出激光由光纤传输接入1×2单模光纤分束器的输入端口，1×2单模光纤分束器的两根输出尾纤一根接入所述发射端的准直器，另一根接入单模光纤时间延迟器，单模光纤时间延迟器与单模光纤衰减器的输入尾纤相连；发射端的准直器将激光调制信号注入待测空间中并由所述接收端的准直器接受，接收端的准直器经过多模光纤传输连入多模噪声扰模器的输入端口；多模噪声扰模器的输出尾纤以及单模光纤衰减器的输出尾纤分别对应连接2×2多模光纤分束器的两个输入端尾纤，2×2多模光纤分束器的两个输出端尾纤分别对应连接多模光纤时间延迟器的输入尾纤和多模光纤衰减器的输入尾纤，多模光纤时间延迟器的输出尾纤以及多模光学衰减器的输出尾纤均插入平衡探测器的两个输入端口内。

一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测方法，包括如下步骤：

1)DFB激光器的输出激光射入1×2单模光纤分束器，并通过1×2单模光纤分束器分成两路，一路作为检测光，其振幅为E_T，用于待测空间检测吸收光谱信号，并经多模噪声扰模器进行抗干扰信号处理；另一路作为参考光，其振幅为E_r，通过单模光纤时间延迟器进行延时处理；参考光透过单模光纤时间延迟器并射入单模光纤衰减器，所述单模光纤时间延迟器的延时处理能够通过增加检测光和参考光的相位差

产生外差干涉，单模光纤衰减器根据射入的参考光调节参考光大小，并最终调节检测光和参考光之间比例系数；

2)所述检测光与参考光汇入2×2多模光纤分束器，并经2×2多模光纤分束器再次分成两路信号光，一路信号光经多模光纤衰减器输出给平衡探测器，另一路信号光经多模光纤时间延迟器延迟处理并最终输出给平衡探测器；

3)平衡探测器将接收到的两路信号光相减放大，即获得外差平衡测量信号的输出。

进一步地，所述多模光纤时间延迟器补偿2×2多模光纤分束器输出端相位差，该相位差调节为π。

进一步地，所述1×2单模光纤分束器的输出分束比为99:1；2×2多模光纤分束器的输出分束比为1:1。

进一步地，所述平衡探测器(10)内置两个光电传感器，所述两个光电传感器分别对应接受所述两路信号光，两路信号光经过光电传感器后相减放大，即获得了消除传感器噪声的外差干涉信号I_out。

DFB激光器输出一种用于TDLAS的波长和光强的调制信号，由经过1×2单模光纤分束器分为探测光和参考光，探测光经过待测环境剧烈衰减。单模光纤时间延迟器使两束光产生相位差，探测光还经过了多模噪声扰模器消除多模噪声，在2×2多模光纤分束器中形成外差干涉。将外差干涉后信号1:1分束，接入平衡探测器，获得降低了探测器噪声的放大干涉信号，最终由计算机解调还原为提高了抗噪能力的探测光信号。本发明将参考光和探测光在1×2单模光纤分束器中产生干涉，由2×2多模光纤分束器均分输出，使其两路输出信号直流量无论探测光是否波动都相同，接入平衡探测器能均衡抗噪，显著提高了实时性和抗噪能力。由此产生的有益效果是：

1)微弱信号经过本发明所述的外差平衡探测系统，能够将探测信号转换为干涉信号，干涉光强可按参考光信号大小放大，并通过平衡探测器消除探测器噪声，明显提高了系统的抗噪能力。

2)在探测信号动态变化时，参考光强不需要调节，也能将直流分量和探测器噪声等分相减消除，相比传统实验室方法，实现实时平衡探测，更加适合工业应用。

3)信号的解调只和振幅有关，与频率无关，系统中加入了多模噪声扰模器，防止了振幅的畸变，既能够简单解调，也能够消除多模噪声变形的干扰。

附图说明：

图1为本发明的外差干涉平衡探测系统结构示意图。

图2为本发明所述的外差干涉平衡探测系统的输出信号I_out。

图3为本发明所述的外差干涉平衡探测方法解调后的信号E_T。

图4为未经过本发明方法处理的信号光E_T。

图中：1、DFB激光器，2、1×2单模光纤分束器，3、准直器，4、待测空间，5、多模噪声扰模器，6、单模光纤时间延迟器，7、2×2多模光纤分束器，8、多模光纤时间延迟器，9、多模光纤衰减器，10、平衡探测器，11、单模光纤衰减器。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1至图4，本发明一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测系统，包括DFB激光器1、1×2单模光纤分束器2、准直器3、待测空间4、多模噪声扰模器5、单模光纤时间延迟器6、2×2多模光纤分束器7、多模光纤时间延迟器8、多模光纤衰减器9、平衡探测器10和单模光纤衰减器11，两所述准直器3分别置于待测空间4的两侧，且一侧的准直器3形成发射端，另一侧的准直器3形成接收端；所述DFB激光器1的输出激光由光纤传输接入1×2单模光纤分束器2的输入端口，1×2单模光纤分束器2的两根输出尾纤一根接入所述发射端的准直器3，另一根接入单模光纤时间延迟器6，单模光纤时间延迟器6与单模光纤衰减器11的输入尾纤相连；发射端的准直器3将DFB激光器1发出的激光调制信号注入待测空间4中并由所述接收端的准直器3接受，接收端的准直器3经过多模光纤传输连入多模噪声扰模器5的输入端口；多模噪声扰模器5的输出尾纤以及单模光纤衰减器11的输出尾纤分别对应连接2×2多模光纤分束器7的两个输入端尾纤，2×2多模光纤分束器7的两个输出端尾纤分别对应连接多模光纤时间延迟器8的输入尾纤和多模光纤衰减器9的输入尾纤，多模光纤时间延迟器8的输出尾纤以及多模光学衰减器9的输出尾纤均插入平衡探测器10的两个输入端口内。

本发明一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测方法，包括如下步骤：

1)DFB激光器的输出激光射入1×2单模光纤分束器2，并通过1×2单模光纤分束器2分成两路，一路作为检测光，其振幅为E_T，用于待测空间4检测吸收光谱信号，并经多模噪声扰模器5进行抗干扰信号处理；另一路作为参考光，其振幅为E_r，通过单模光纤时间延迟器6进行延时处理；参考光透过单模光纤时间延迟器6并射入单模光纤衰减器11，单模光纤时间延迟器6的延时处理能够通过增加检测光和参考光的相位差

产生外差干涉，单模光纤衰减器11根据射入的参考光调节参考光大小，并最终调节检测光和参考光之间比例系数。

单模光纤衰减器11根据实际采集情况精确调节检测光与参考光的比例，在权衡比例系数和参考光的本振光噪声后，确定衰减参考光的大小。

单模光纤衰减器11的作用是控制检测光和参考光的光强大概比例，这里说大概是因为检测光的光强在空间中实时变化，但变化不会超过一个数量级。原理上干涉信号振幅需要增大，就需要无限增大参考信号，但是实际上，经过测试，参考信号过大会带来更多噪声淹没检测信号，所以控制比例因探测环境而变，而控制比例的就是通过单模光纤衰减器11与1×2单模光纤分束器2。

2)检测光与参考光汇入2×2多模光纤分束器7，并经2×2多模光纤分束器7再次分成两路信号光，一路信号光经多模光纤衰减器9输出给平衡探测器10，另一路信号光经多模光纤时间延迟器8延迟处理并最终输出给平衡探测器10；调节多模光纤衰减器9并控制经过多模光纤衰减器9的信号光的光强大小，调节该路信号光的调制振幅大小，多模光纤时间延迟器8通过增加一路信号光光程，使两路信号光的相位差增大。

3)平衡探测器10将接收到的两路信号光相减放大，即获得外差平衡测量信号的输出，该输出信号经过计算机解调，获得提高了信噪比的探测信号。获得外差平衡测量信号，是以经过平衡探测器输出的干涉信号以每四分之一个周期的振幅作为一个采样点，转换获得干涉振幅E_out，根据B*E_T＝I_out/E_r解调还原出探测光信号E_T。

多模光纤时间延迟器8补偿2×2多模光纤分束器7输出端相位差，该相位差调节为π。

1×2单模光纤分束器2的输出分束比为99:1；2×2多模光纤分束器7的输出分束比为1:1。

平衡探测器10内置两个光电传感器，所述两个光电传感器分别对应接受所述两路信号光，两路信号光经过光电传感器后相减放大，即获得了消除传感器噪声的外差干涉信号I_out。

以下对本发明的探测方法进行详细说明：

1×2单模光纤分束器2将DFB激光器1输出的激光按照99:1分束比分为探测光和参考光，探测光通过一对光学准直器3穿透待测环境(待测空间4)，再接入多模噪声扰模器5，与经过单模光纤时间延迟器6的参考光一同进入2×2多模光纤分束器7。经过待测环境的探测光通常衰减严重，最后耦合进入多模噪声扰模器5时信号光光强小于参考光光强一个数量级。

单模光纤时间延迟器6是产生外差干涉的主要器件，它产生的相对光程差越大，外差干涉条纹越多，分辨能力越高。单模光纤时间延迟器6的主要组成是设定长度的单模光纤。穿过待测环境的信号再接收会产生多模噪声，多模噪声扰模器5是抗多模噪声的仪器，是一种使用机械机构周期性改变多模光纤形态的装置，起到了匀化、平均光线模式的作用，有效抵御了多模噪声。(本发明中的多模噪声扰模器5引用专利号为CN200510123189.4中的多模噪声扰模器，本发明中多模噪声扰模器5功能与原理均与该CN200510123189.4中的相同，故本发明不再对多模噪声扰模器5的功能与原理进行详细赘述)。

参考光和探测光在2×2多模光纤分束器7中形成了外差干涉信号，并由其再根据1:1分束比分成两束光，称为第一信号光和第一信号光。2×2多模光纤分束器7一般不能完全精准控制输出第一信号光和第一信号光的分束比，因此接入一个多模光纤衰减器9，将两束光强调为1:1。为最大化外差干涉信号的振幅，本发明还在多模光纤衰减器9前安装一个多模光纤时间延迟器8，该多模光纤时间延迟器8将第一信号光和第一信号光之间制造一个π的相位差。多模光纤时间延迟器8可以用一定长度的多模光纤制造。

最后第一信号光和第一信号光进入平衡探测器10。该平衡探测器内置两个性能接近的传感器，差分相减可以有效降低探测器本体噪声。

在DAS技术中，通常使用锯齿波信号，将激光光强和波长进行调制。通过单模光纤时间延迟器6，参考光和探测光产生了一个稳定波长差，从而获得了外差干涉信号，如下公式所示：

其中E_r为参考光振幅，E_t为检测光振幅，△f为光波频率差，

为相位差。△f是由单模光纤时间延迟器6产生

引入的。DFB激光器的输出激光是根据时间调制的锯齿波信号，当两束光因为光程差产生错位，同一时刻进入探测器的激光就会产生一个△f。

该外差干涉光I在2×2多模光纤分束器中被分为两束等光强光束，并且进入平衡探测器10的两个输入口，探测器响应信号分别为：

我们一般通过多模光纤时间延迟器8控制ψ为π。平衡探测器两个输入口对应两个探测器，两个探测器选用的感光元件极其接近，认为探测器产生的噪声noise₁和noise₂基本相同。平衡探测器将输入的两个响应信号做减法，输出为：

其中B为一个比例系数，当ψ为π时，B＝1/2。由公式(4)可知，探测信号被参考信号放大了，并体现在了外差干涉信号中的振幅上，调节单模光纤衰减器可以控制参考光大小，控制振幅放大倍数。探测器噪声也被平衡探测器消除了。本发明通过以上方式，在不需要调节参考光光强的情况下，提高了直接吸收的探测信号抗干扰能力。

为解调出探测信号，于每半个周期的振幅作为一个采样点，将采样幅值除以参考信号幅值，通过简化公式：B*E_T＝I_out/E_r即可获得探测信号的振幅，从而继续运用TDLAS直接吸收法计算方法测量待测气体温度或浓度等。为获得更多的采样点，防止解调失真，一般会提高干涉信号的频率。

以下对本发明的探测系统进行详细说明：

本发明实施例如图1所示，包括波长为1550nm附近的DFB激光器1，分束比为99:1的1×2单模光纤分束器2，一对准直器3，长度为30m左右的待测空间4，多模噪声扰模器5(该结构与原理在现有专利CN200510123189.4中有详细描述)，由约光程为60m光纤缠绕的单模光纤时间延迟器6，2×2多模光纤分束器7，一个可变光程的多模光纤时间延迟器8，一个多模光纤衰减器9、throlabsPDB450C平衡探测器10以及单模光纤衰减器11。

根据图1介绍的系统，实现低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测系统是由激光器1控制输出了调制频率为10Khz的锯齿波760.654nm信号光1mw，信号光经过1×2单模光纤分束器2被分成了参考光0.01mw和探测光0.99mw。参考光经过单模光纤时间延迟器6进入2×2多模光纤分束器7的输入端口，探测光进入由准直器3组成的镜组，穿过透射率极低的待测空间4，形成了由吸收信息的探测光5nw，若直接接入普通光电探测器，信号会叠加探测器噪声和多模噪声，如图4所示，不能满足DAS技术需求。将该探测信号接入多模噪声扰模器5，除噪后的信号也接入2×2多模光纤分束器7的输入端口。两束光进入时间有固定延迟，因此形成了稳定的外差干涉条件，该单模光纤时间延迟器6能够在10Khz的信号光上产生平均频率接近1M的干涉条纹，即产生了约100根干涉条纹。2×2多模光纤分束器7再将干涉后的光分成第一信号光和第二信号光，第一信号光接入多模光纤时间延迟器8，第二信号光接入多模光纤衰减器9，将多模光纤衰减器调节至第一信号和第二信号光强等同后接进平衡探测器10，调节多模光纤时间延迟器8，直到获得最大的干涉振幅，如图2所示。此后可再调节单模光纤衰减器11，放大参考信号，继续增大振幅。但是参考信号不是越大越好，参考信号过大会引入本振光的噪声，影响解调精度。

如公式(4)所示，平衡探测器输出的干涉信号为I_out，以每四分之一个周期的振幅作为一个采样点，这样当10Khz信号光调制下产生约为200个振幅E_out点，将200个采样点进行线型拟合，获得连续信号，最后还是根据公式(4)，进行一下计算：E_T＝E_out/E_r，获得探测光信号E_T，如图3所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测系统，其特征在于：包括DFB激光器(1)、1×2单模光纤分束器(2)、准直器(3)、待测空间(4)、多模噪声扰模器(5)、单模光纤时间延迟器(6)、2×2多模光纤分束器(7)、多模光纤时间延迟器(8)、多模光纤衰减器(9)、平衡探测器(10)和单模光纤衰减器(11)，两所述准直器(3)分别置于待测空间(4)的两侧，且一侧的准直器(3)形成发射端，另一侧的准直器(3)形成接收端；所述DFB激光器(1)的输出激光由光纤传输接入1×2单模光纤分束器(2)的输入端口，1×2单模光纤分束器(2)的两根输出尾纤一根接入所述发射端的准直器(3)，另一根接入单模光纤时间延迟器(6)，单模光纤时间延迟器(6)与单模光纤衰减器(11)的输入尾纤相连；发射端的准直器(3)将激光调制信号注入待测空间(4)中并由所述接收端的准直器(3)接受，接收端的准直器(3)经过多模光纤传输连入多模噪声扰模器(5)的输入端口；多模噪声扰模器(5)的输出尾纤以及单模光纤衰减器(11)的输出尾纤分别对应连接2×2多模光纤分束器(7)的两个输入端尾纤，2×2多模光纤分束器(7)的两个输出端尾纤分别对应连接多模光纤时间延迟器(8)的输入尾纤和多模光纤衰减器(9)的输入尾纤，多模光纤时间延迟器(8)的输出尾纤以及多模光学衰减器(9)的输出尾纤均插入平衡探测器(10)的两个输入端口内；

根据所述外差平衡探测系统，其中：

所述2×2多模光纤分束器(7)输出外差干涉信号值I，如下公式所示：

其中E_r为参考光振幅，E_t为检测光振幅，Δf为光波频率差，

为相位差；Δf是由单模光纤时间延迟器6产生

引入；

所述的多模光纤时间延迟器(8)、多模光学衰减器(9)输入口平衡探测器(10)响应信号分别为：

式中，平衡探测器(10)两个输入口对应两个探测器的噪声noise₁和noise₂；ψ为π

所述平衡探测器(10)输出值为：

2.一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)DFB激光器的输出激光射入1×2单模光纤分束器(2)，并通过1×2单模光纤分束器(2)分成两路，一路作为检测光，其振幅为E_T，用于待测空间(4)检测吸收光谱信号，并经多模噪声扰模器(5)进行抗干扰信号处理；另一路作为参考光，其振幅为E_r，通过单模光纤时间延迟器(6)进行延时处理，参考光透过单模光纤时间延迟器(6)并射入单模光纤衰减器(11)，所述单模光纤时间延迟器(6)的延时处理能够通过增加检测光和参考光的相位差

产生外差干涉，单模光纤衰减器(11)根据射入的参考光调节参考光大小，并最终调节检测光和参考光之间比例系数；

2)所述检测光与参考光汇入2×2多模光纤分束器(7)，并经2×2多模光纤分束器(7)再次分成两路信号光，一路信号光经多模光纤衰减器(9)输出给平衡探测器(10)，另一路信号光经多模光纤时间延迟器(8)延迟处理并最终输出给平衡探测器(10)；其中：

所述2×2多模光纤分束器(7)输出外差干涉信号值I，如下公式所示：

式中：E_r为参考光振幅，E_t为检测光振幅，Δf为光波频率差，

为相位差；Δf是由单模光纤时间延迟器6产生

引入；

所述的多模光纤时间延迟器(8)、多模光学衰减器(9)输入口平衡探测器(10)响应信号分别为：

式中，平衡探测器(10)两个输入口对应两个探测器的噪声noise₁和noise₂；ψ为π；

3)平衡探测器(10)将接收到的两路信号光相减放大，即获得外差平衡测量信号的输出；所述平衡探测器(10)内置两个光电传感器，所述两个光电传感器分别对应接受所述两路信号光，两路信号光经过光电传感器后相减放大，即获得了消除传感器噪声的外差干涉信号I_out；

所述平衡探测器(10)输出值为：

3.如权利要求2所述的应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测方法，其特征在于：所述多模光纤时间延迟器(8)补偿2×2多模光纤分束器(7)输出端相位差，该相位差调节为π。

4.如权利要求2所述的应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测方法，其特征在于：所述1×2单模光纤分束器(2)的输出分束比为99:1；2×2多模光纤分束器(7)的输出分束比为1:1。

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