CN109959627A - 一种基于光学捷变频的快速气体吸收光谱测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于光学捷变频的快速气体吸收光谱测量装置及方法，涉及快速气体吸收光谱的测量方法，属于吸收光谱测量领域。本发明是为了解决现有光谱测量方法存在无法实现快速在线检测，且测量光信号的扫频范围有限，无法获得完整的吸收光谱信号，造成测量的准确性差的问题。本发明通过控制第一激光器的频率ν1和第二激光器的频率ν2，实现调节扫频闲频光的中心频率位于被测气体吸收峰位置，使得本发明所述装置及方法可用于不同气体的检测。通过控制高速扫频微波源的扫频速度，实现不同速率的气体吸收光谱检测。本发明是适用于已知气体的浓度进行测量。

Description

一种基于光学捷变频的快速气体吸收光谱测量装置及方法
技术领域
本发明涉及快速气体吸收光谱的测量方法，属于吸收光谱测量领域。
背景技术
气体传感器广泛应用于现代工业和人类社会生活的各个领域，传统的电学气体传感器将被测信息按照一定的规律转化为电学信号，该类型传感器易受电磁干扰、不耐腐蚀、信息容量小，这限制了其性能和应用范围。而基于光谱测量的检测方法因其灵敏度高、测量速度快、信息容量大、成本低、抗电磁干扰等优点，具有广泛的应用前景。近年来，基于吸收光谱的气体检测方法得到了国内外学者的广泛研究，该方法有着信噪比高、不需要预采集、扫描范围大、装置简单易于实现等优势。
传统的吸收光谱测量方法，通常采用的原理为“扫频-测量法”。通常使用分布反馈式激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)作为光源，通过信号发生器输出调制信号调制分布反馈式激光器进行频率扫描(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)，当激光器扫频范围与被检测气体吸收谱线相重合时，被测气体会对该频段的光有吸收作用。光电探测器把该光信号转化为电信号并使用数据采集装置采集信号。根据Lambert-Beer(比尔-朗博)定律，吸收信号的强度与吸收截面、温度、光气作用距离和浓度有关。通常在测量中，已知温度、光气作用距离和吸收截面，通过比尔-朗伯定律可以得知被测气体的浓度，根据吸收谱线的位置得知被测气体的种类。然而，基于TDLAS的检测方法的检测速度受限于激光器的调制速率，因此存在着测量速度较慢的问题，完成一次测量的时间一般在秒或毫秒量级。当测量时间进一步减少时，由于分布反馈式激光器工作原理的限制，存在着扫频范围减少和调制信号畸变等问题。导致了分布反馈式激光器输出的频率和强度均随时间做非线性变化，需要修正才可以完成吸收信号的准确测量。这使得检测工作复杂，无法实现快速在线检测，且扫频范围有限难以得到完整的吸收光谱信号。
发明内容
本发明目的是为了解决现有光谱测量方法存在无法实现快速在线检测，且探测光信号的扫频范围有限，无法获得完整的吸收光谱信号，造成测量的准确性差的问题，提出了一种基于光学捷变频的快速气体吸收光谱测量装置及方法。
本发明所述的一种基于光学捷变频的快速气体吸收光谱测量装置，包括第一激光器1、电光调制器2、高速扫频微波源3、第一滤波器4、第二激光器5、掺饵光纤放大器7、非线性光纤8、第二滤波器9、待测气体池10、探测器11和数据采集装置12；
第一激光器1输出的第一定光频载波信号与高速扫频微波源3输出的高速扫频微波电信号经电光调制器2调制生成快速扫频光的上下一阶边带信号，所述快速扫频光的上下一阶边带信号经第一滤波器4输出快速扫频光上边带信号，所述快速扫频光上边带信号作为泵浦光和第二激光器5输出的第二定频光信号作为信号光经掺饵光纤放大器7放大后输出至非线性光纤8，信号光和泵浦光在非线性光纤8内发生四波混频作用，当非线性光纤8内的信号光和泵浦光满足波矢匹配条件时，生成频率为泵浦光扫频范围2倍的闲频光，非线性光纤8输出信号光、泵浦光和闲频光的混频光信号，所述混频光信号经第二滤波器9滤除信号光和泵浦光后输出闲频光，所述闲频光经待测气体池10与待测气体相互作用后发射至探测器11的探测面上，探测器11对探测的光信号转换为电信号输出至数据采集装置12。
基于光学捷变频的快速气体吸收光谱测量方法，该方法基于上述光谱测量装置实现，该方法的具体步骤为：
步骤一、根据待测气体的吸收峰的频率，采用频率为ν1的定频光作为载波信号与高速扫频微波电信号进行电光调制生成快速扫频光的上下一阶边带信号；
步骤二、对步骤一所述快速扫频光的上下一阶边带信号进行滤波，滤除所述快速扫频光的上下一阶边带信号中的扫频下边带信号和载波信号；获得快速扫频光上边带信号；
步骤三、将所述快速扫频光上边带信号作为泵浦光，同时采用频率为ν2的定频光信号作为信号光进行放大后输入至非线性光纤8进行四波混频，当泵浦光与信号光满足波矢匹配条件时，生成扫频范围为泵浦光扫频范围的两倍的闲频光；获得泵浦光、信号光和闲频光的混频光信号；
步骤四、滤除与闲频光混合的泵浦光与信号光，将闲频光输入至待测气体池中，使闲频光与待测气体相互作用，获得待测气体吸收后的光谱信号；
步骤五、根据待测气体吸收后的光谱信号的变化，获得待测气体的浓度变化，实现利用气体吸收光谱测量气体的浓度变化。
本发明通过控制第一激光器的频率ν1和第二激光器的频率ν2，实现调节扫频闲频光的中心频率位于被测气体吸收峰位置，使得本发明所述装置及方法可用于不同气体的检测。通过控制高速扫频微波源的扫频速度，实现不同速率的气体吸收光谱检测。当高速扫频微波源进行快速扫频时，单周期检测时间短，测量速度快。当高速扫频微波源进行慢速扫频时，单周期检测时间长，光谱分辨率高。由于本发明采用高速扫频微波源实现光源的高速扫描，采用调节两个激光器的频率使闲频光的频率与待测气体吸收的波峰频率相匹配，从而实现对待测气体吸收光谱的快速测量，进而实现对气体浓度快速变化的精确测量。
本专利具有以下优点：
1、本发明可以实现快速气体吸收光谱的测量，最快可以实现在几百纳秒的时间内完成一组气体吸收光谱的测量，可用于快速物理化学过程的检测。
2、本发明可以实现测量速度可调的气体检测，慢速扫频时拥有极高的光谱分辨率，可以用于超精细光谱检测。
3、本发明提出的方法，能够实现线性频率扫描的气体吸收光谱测量，不需要频率修正即可得到气体吸收谱。
3、本发明可以实现占空比为100％的连续吸收光谱检测。
4、本发明可以用于气体的在线检测，数据采集装置可以实时把吸收光谱信号呈现出来，上传至网络用于组网检测。
5、本专利可以用于不同种类气体的检测，根据被测气体吸收谱线的频率，预先调节激光器的中心波长和扫频范围，实现不同种类气体的快速检测。
附图说明
图1是本发明所述基于光学捷变频的快速气体吸收光谱测量装置的结构示意图；
图2是具体实施方式四所述基于光学捷变频的快速气体吸收光谱测量装置的结构示意图；
图3是输入非线性光纤的信号图，图中，横坐标f是频率；
图4是非线性光纤输出的信号图，图中，横坐标f是频率；
图5是基于光学捷变频的快速线性频率的气体吸收光谱测量结果图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并充分理解相应技术效果的实现过程并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于光学捷变频的快速气体吸收光谱测量装置，包括第一激光器1、电光调制器2、高速扫频微波源3、第一滤波器4、第二激光器5、掺饵光纤放大器7、非线性光纤8、第二滤波器9、待测气体池10、探测器11和数据采集装置12；
第一激光器1输出的第一定光频载波信号与高速扫频微波源3输出的高速扫频微波电信号经电光调制器2调制生成快速扫频光的上下一阶边带信号，所述快速扫频光的上下一阶边带信号经第一滤波器4输出快速扫频光上边带信号，所述快速扫频光上边带信号作为泵浦光和第二激光器5输出的第二定频光信号作为信号光经掺饵光纤放大器7放大后输出至非线性光纤8，信号光和泵浦光在非线性光纤8内发生四波混频作用，当非线性光纤8内的信号光和泵浦光满足波矢匹配条件时，生成频率为泵浦光扫频范围2倍的闲频光，非线性光纤8输出信号光、泵浦光和闲频光的混频光信号，所述混频光信号经第二滤波器9滤除信号光和泵浦光后输出闲频光，所述闲频光经待测气体池10与待测气体相互作用后发射至探测器11的探测面上，探测器11对探测的光信号转换为电信号输出至数据采集装置12。
结合图1对本实施方式进行说明，线性扫频的波形首尾串联预先写入高速扫频微波源的内存中，设定高速扫频微波源反复输出该波形，其输出的电信号即为微波捷变频信号。
第一激光器作为第一光源输出光载波，把高速扫频微波信号加载在电光调制器上用于调制光载波，此时电光调制器输出的光信号是拥有上下扫频边带信号和无用载波的组合，使用第一滤波器滤波获得上边带形成扫频的单边带信号，所述单边带信号的扫频范围为a。该扫频单边带信号作为四波混频过程中的泵浦光，第二激光器作为四波混频过程中的信号光具有稳定的频率，两束光经过EDFA(掺饵光纤放大器)放大在非线性光纤中发生四波混频作用。根据四波混频原理和波矢匹配条件，信号光频率+闲频光频率＝泵浦光频率+泵浦光频率，因此，当泵浦光(即第一滤波器滤波获得上边带形成扫频的单边带信号)扫频范围为a时，闲频光的频率＝2ν1-ν2，因此可以通过调节第一激光器频率的ν1和第二激光器频率的ν2使得闲频光的中心频率与气体吸收峰的中心频率相匹配，由于泵浦光的扫频范围为a，因此泵浦光的频率为ν1+a，由频率匹配关系可知，闲频光的扫频范围扩展为泵浦光扫频范围的2倍，即闲频光的扫频范围就是2a。扫频范围通过四波混频作用进行了扩展。使用第二滤波器滤波器滤出扫频范围为2a的闲频光作为探测光，注入气池中与气体发生相互作用，使用探测器接收该光信号并转换为电信号，使用数据采集装置采集，测量结果如图5所示，图中纵坐标为电压，横坐标为单次扫描时间。由于频率是线性扫描，且电压值反映强度值，因此该图可表示被测气体的吸收光谱，通过光谱数据可以反推气体浓度。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一所述的一种基于光学捷变频的快速气体吸收光谱测量装置作进一步说明，非线性光纤8的非线性系数大于1W-1km-1。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二所述的一种基于光学捷变频的快速气体吸收光谱测量装置作进一步说明，非线性光纤8的非线性系数为10W-1km-1。
具体实施方式四：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的一种基于光学捷变频的快速气体吸收光谱测量装置作进一步说明，还包括耦合器(6)，所述耦合器(6)用于对第一滤波器4输出快速扫频光上边带信号和第二激光器5输出的第二定频光信号合束后输出至掺饵光纤放大器7。
具体实施方式五：本实施方式所述基于光学捷变频的快速气体吸收光谱测量方法，该方法基于具体实施方式一所述的光谱测量装置实现，该方法的具体步骤为：
步骤一、根据待测气体的吸收峰的频率，采用频率为ν1的定频光作为载波信号与高速扫频微波电信号进行电光调制生成快速扫频光的上下一阶边带信号；
步骤二、对步骤一所述快速扫频光的上下一阶边带信号进行滤波，滤除所述快速扫频光的上下一阶边带信号中的扫频下边带信号和载波信号；获得快速扫频光上边带信号；
步骤三、将所述快速扫频光上边带信号作为泵浦光，同时采用频率为ν2的定频光信号作为信号光进行放大后输入至非线性光纤8进行四波混频，当泵浦光与信号光满足波矢匹配条件时，生成扫频范围为泵浦光扫频范围的两倍的闲频光；获得泵浦光、信号光和闲频光的混频光信号；
步骤四、滤除与闲频光混合的泵浦光与信号光，将闲频光输入至待测气体池中，使闲频光与待测气体相互作用，获得待测气体吸收后的光谱信号；
步骤五、根据待测气体吸收后的光谱信号的变化，获得待测气体的浓度变化，实现利用气体吸收光谱测量气体的浓度变化。
本实施方式通过控制第一激光器的频率ν1和第二激光器的频率ν2，可调节扫频闲频光的中心频率位于被测气体吸收峰位置，根据四波混频原理，闲频光的频率＝2ν1-ν2，因此可以通过调节第一激光器频率的ν1和第二激光器频率的ν2使得闲频光的中心频率与气体吸收峰的中心频率相匹配，由于泵浦光的扫频范围为a，因此泵浦光的频率为ν1+a，由频率匹配关系可知，闲频光的扫频范围扩展为泵浦光扫频范围的2倍，即2a使得该方法可用于不同气体的检测。通过控制高速扫频微波源的扫频速度，可以实现不同速率的气体吸收光谱检测。当高速扫频微波源进行快速扫频时，单周期检测时间短，测量速度快。当高速扫频微波源进行慢速扫频时，单周期检测时间长，光谱分辨率高。
结合图3和图4对四波混频扩大扫频范围的原理进行说明，本方法使用的四波混频技术是简并四波混频技术，根据简并四波混频原理和波矢匹配条件，满足信号光频率+闲频光频率＝泵浦光频率+泵浦光频率。在四波混频中，信号光是定频光不需要扫频，泵浦光进行线性频率扫频，扫频速度和扫频范围由高速扫频微波源控制，根据四波混频的原理，满足信号光频率+闲频光频率＝泵浦光频率+泵浦光频率，因此当泵浦光的扫频范围为a时，闲频光的扫频范围为2a。
结合图1基于光学捷变频的快速线性频率的气体吸收光谱检测原理图进行说明。本发明分为两部分，第一部分使用光学啁啾调制生成快速线性扫频光源，第二部分使用四波混频技术扩展线性扫频光源的扫频范围。本发明中第一激光器输出频率为ν1的第一定频光载波信号，通过加载高速扫频微波信号的电光调制器调制生成快速扫频的上下一阶边带，生成边带的扫频范围和扫频速度等同于高速扫频微波源输出微波信号的扫频范围和扫频速度，使用第一滤波器滤除扫频下边带和载波，仅使快速扫频上边带通过第一滤波器。高速扫频微波源输出的高速扫频微波信号可以实现首尾相接的连续输出，实现占空比为100％的连续输出。至此，已通过光学啁啾调制生成快速线性扫频光源。快速扫频上边带和第二激光器输出频率为ν2的定频光信号通过耦合器合束，经过掺饵光纤放大器(EDFA)放大注入高非线性光纤中发生四波混频作用，扫频范围为a的扫频光作为四波混频的泵浦光，频率为ν2的光作为四波混频的信号光。当两束光满足波矢匹配条件时，新生成的闲频光扫频范围为泵浦光扫频范围的两倍。使用第二滤波器滤除泵浦光和信号光，仅使闲频光通过第二滤波器。至此，已通过四波混频技术扩展了探测光的扫频范围。闲频光作为探测光，经过气池与被测气体发生相互作用，使用探测器探测该光信号并转化为电信号，使用数据采集装置进行数据采集。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种基于光学捷变频的快速气体吸收光谱测量装置，其特征在于，包括第一激光器(1)、电光调制器(2)、高速扫频微波源(3)、第一滤波器(4)、第二激光器(5)、掺饵光纤放大器(7)、非线性光纤(8)、第二滤波器(9)、待测气体池(10)、探测器(11)和数据采集装置(12)；
第一激光器(1)输出的第一定光频载波信号与高速扫频微波源(3)输出的高速扫频微波电信号经电光调制器(2)调制生成快速扫频光的上下一阶边带信号，所述快速扫频光的上下一阶边带信号经第一滤波器(4)输出快速扫频光上边带信号，所述快速扫频光上边带信号作为泵浦光和第二激光器(5)输出的第二定频光信号作为信号光经掺饵光纤放大器(7)放大后输出至非线性光纤(8)，信号光和泵浦光在非线性光纤(8)内发生四波混频作用，当非线性光纤(8)内的信号光和泵浦光满足波矢匹配条件时，生成频率为泵浦光扫频范围2倍的闲频光，非线性光纤(8)输出信号光、泵浦光和闲频光的混频光信号，所述混频光信号经第二滤波器(9)滤除信号光和泵浦光后输出闲频光，所述闲频光经待测气体池(10)与待测气体相互作用后发射至探测器(11)的探测面上，探测器(11)对探测的光信号转换为电信号输出至数据采集装置(12)。
2.根据权利要求1所述一种基于光学捷变频的快速气体吸收光谱测量装置，其特征在于，非线性光纤(8)的非线性系数大于1W-1km-1。
3.根据权利要求1或2所述一种基于光学捷变频的快速气体吸收光谱测量装置，其特征在于，非线性光纤(8)的非线性系数为10W-1km-1。
4.根据权利要求1所述一种基于光学捷变频的快速气体吸收光谱测量装置，其特征在于，还包括耦合器(6)，所述耦合器(6)用于对第一滤波器(4)输出快速扫频光上边带信号和第二激光器(5)输出的第二定频光信号合束后输出至掺饵光纤放大器(7)。
5.基于光学捷变频的快速气体吸收光谱测量方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的光谱测量装置实现，该方法的具体步骤为：
步骤一、根据待测气体的吸收峰的频率，采用频率为ν1的定频光作为载波信号与高速扫频微波信号进行电光调制生成快速扫频光的上下一阶边带信号；
步骤二、对步骤一所述快速扫频光的上下一阶边带信号进行滤波，滤除所述快速扫频光的上下一阶边带信号中的扫频下边带信号和载波信号；获得快速扫频光上边带信号；
步骤三、将所述快速扫频光上边带信号作为泵浦光，同时采用频率为ν2的定频光信号作为信号光进行放大后输入至非线性光纤(8)进行四波混频，当泵浦光与信号光满足波矢匹配条件时，生成扫频范围为泵浦光扫频范围的两倍的闲频光；获得泵浦光、信号光和闲频光的混频光信号；
步骤四、滤除与闲频光混合的泵浦光与信号光，将闲频光输入至待测气体池中，使闲频光与待测气体相互作用，获得待测气体吸收后的光谱信号；
步骤五、根据待测气体吸收后的光谱信号的变化，获得待测气体的浓度变化，实现利用气体吸收光谱测量气体的浓度变化。
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