CN110749873A - 一种飞秒激光雷达以及气体成分探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞秒激光雷达以及气体成分探测方法，本发明所述技术方案引入非平衡色散方法，所述探测模块中M‑Z干涉仪的探测臂或是参考臂引入一段非平衡色散光纤，使得M‑Z干涉仪产生频率啁啾的干涉条纹。探测激光经过待测气体后产生的吸收特征能够在干涉条纹的微波频率谱中体现，完成了光频中的气体吸收特征向微波频率的下转换。采用单个频梳的相干技术，系统简易，可实时探测。

Description

一种飞秒激光雷达以及气体成分探测方法

技术领域

本发明涉及光学系统技术领域，更具体的说，涉及一种飞秒激光雷达以及气体成分探测方法。

背景技术

近年来激光雷达技术在气体探测领域的发展是突飞猛进的，高精度、高时空分辨率的大气参数探测使得人们对大气特征的了解更加深入。由于火灾和爆炸等事故的发生频率增加，危险时刻的实时高精度的气体探测也逐渐被人们重视。飞秒激光因具有高重复频率、超短脉冲宽度、宽光谱、高峰值功率等特点，使得其在超快光谱技术、超快动力学检测技术和光频梳等领域发挥了重要作用，在实时气体探测领域也有很大发展潜力。

飞秒激光的实时“时频映射”光谱技术为研究人员们提供了克服传统电子器件速率限制的有力工具。B.Jalali等人利用拉曼放大和色散补偿光纤实现“时频映射”光谱技术，拉曼放大的优势是能够在整个色散元件中保持恒定的信号功率水平。据此他们完成了单点的CO气体吸收特征实时探测，光谱精度达到950MHz。2009年夏海云等人在实时“时频映射”光谱技术中考虑了高阶色散带来的非线性时频映射，在对非线性时频映射的准确推导后，降低了飞秒激光雷达的系统误差。同时夏海云等人发现在M-Z干涉仪中引入非平衡色散可以消除高阶色散带来的时域干涉条纹的频率啁啾，在实验中完成了距离分辨率约1.59μm的高速测振，采样频率和曝光时间分别为48.6MHz和394fs。

飞秒激光的稳定重复频率使得其本身就是非常好的光频梳，飞秒光梳不仅在高精度的原子钟领域有很重要作用，在气体成分探测方面也展现了很大优势。N.R.newbury等人通过双频梳干涉光谱技术，测量无线电谱干涉图后与光频梳光谱一一对应，在开放空气中完成了1600-1670nm光谱范围包含700吸收特征的多种气体探测，包括CO₂，CH₄，H₂O，HDO，和¹³CO2，并且光谱分辨率小于1KHz。这种光频梳光谱技术具有一定时间分辨能力来监测气体浓度的微小变化，在5分钟内的气体浓度分辨可以达到1ppm(CO₂)和3ppb(CH₄)。由于光频梳光谱学的系统复杂，通常需要两台重复频率相差较小的光频梳系统，成本高昂，S.M.Link等人提出了一种用单个半导体激光器构成的简化的双频梳干涉系统，并进行了水蒸气吸收特征的检测。该双频梳干涉系统中激光器腔内放置一块双折射晶体，晶体将入射光分解成偏振垂直的两束光且在晶体内的折射率不同，产生光程差，则从腔内出射两束重频不同的光梳，这种方法大大简化了双频梳系统。

随着科学技术的不断发展，虽然现有的气体探测系统性能有了大幅的提升，但是现有的气体探测系统的简易性和探测的实时性仍有待提高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种激光雷达以及气体成分探测方法，系统简易，可以实现实时的气体探测。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种飞秒激光雷达，用于气体成分探测，所述飞秒激光雷达包括：

光源模块，所述光源模块用于出射探测激光；

探测模块，所述探测模块包括M-Z干涉仪；所述M-Z干涉仪包括分束器、探测臂、参考臂以及合束器；所述分束器用于将所述探测激光分为第一部分激光以及第二部分激光；所述M-Z干涉仪包括探测臂以及参考臂；所述探测臂用于将所述第一部分激光传输至待测气体，获取所述第一部分激光在所述待测气体中的反射回波信号；所述参考臂用于将所述第二部分激光进行延时处理形成参考光，使得所述参考光与所述第一部分激光具有设定的延时时间；所述合束器用于将所述参考光与所述反射回波信号耦合为混合激光信号；所述探测臂或所述参考臂通过非平衡色散光纤与所述合束器连接；

光源接收模块，所述光源接收模块用于获取所述混合激光信号，基于所述混合激光信号检测所述待测气体的气体成分。

优选的，所述飞秒激光雷达中，所述光源模块包括：光纤飞秒激光器、可调滤波器以及第一光纤放大器；

其中，所述光纤飞秒激光器用于出射飞秒激光脉冲，所述飞秒激光脉冲依次通过所述可调滤波器以及所述第一光纤放大器后，形成所述探测激光脉冲，入射所述分束器。

优选的，所述飞秒激光雷达中，所述探测臂包括：光纤环形器、光学收发系统以及折返镜；所述光纤环形器具有第一端口、第二端口以及第三端口，光线入射所述入射第一端口，从所述第二端口出射，光线入射所述第二端口，从所述第三端口出射；

所述第一部分激光用于入射所述第一端口，依次通过所述第二端口以及所述光学收发系统后，入射所述待测气体，经过所述待测气体和所述折返镜反射后，形成所述反射回波信号；所述反射回波信号通过光学收发系统入射所述第二端口，经过所述第三端口出射，通过第一光纤入射所述合束器的一个输入端口；

所述参考臂包括延时器，所述第二部分激光经过所述延时器进行延时处理形成所述参考光，所述参考光通过第二光纤入射所述合束器的另一个输入端口；

其中，所述第一光纤与所述第二光纤中的一者为所述非平衡色散光纤。

优选的，所述飞秒激光雷达中，所述光源接收模块包括：第一色散光纤、第二光纤放大器、第二色散光纤、第三光纤放大器、耦合器、光电探测器、示波器以及光谱仪；

所述混合激光信号依次通过所述第一色散光纤、所述第二光纤放大器、所述第二色散光纤以及所述第三光纤放大器，入射所述耦合器的输入端口；

所述耦合器具有两个输出端口，分别连接所述光电探测器与所述光谱仪；

所述光谱仪用于获取所述耦合器对应输出端口输出的一部分经过时域展宽放大后的所述反射回波信号以及所述参考光；

所述光电探测器用于获取所述耦合器对应输出端口输出的另一部分经过时域展宽放大后的所述反射回波信号以及所述参考光，将获取的所述反射回波信号以及所述参考光发送给所述示波器。

优选的，所述激光雷达中，所述非平衡色散光纤的色散系数为负值，所述探测臂通过所述非平衡色散光纤与所述合束器连接；

或者，所述非平衡色散光纤的色散系数为正值，所述参考臂通过非平衡色散光纤与所述合束器连接。

本发明还提供了一种气体成分探测方法，所述探测方法包括：

通过光源模块出射探测激光；

通过探测模块将所述探测激光分为第一部分激光以及第二部分激光；所述探测模块包括M-Z干涉仪；所述M-Z干涉仪包括分束器、探测臂、参考臂以及合束器；

通过所述探测臂将所述第一部分激光传输至待测气体，获取所述第一部分激光在所述待测气体中的反射回波信号，通过所述参考臂将所述第二部分激光进行延时处理形成参考光，使得所述参考光与所述第一部分激光具有设定的延时时间；所述探测臂或所述参考臂通过非平衡色散光纤与所述合束器连接；

通过所述合束器将所述参考光与所述反射回波信号耦合为混合激光信号；

通过光源接收模块获取所述混合激光信号，基于所述混合激光信号检测所述待测气体的气体成分。

优选的，所述探测方法中，所述光源模块包括：光纤飞秒激光器、可调滤波器以及第一光纤放大器；

所述通过光源模块出射探测激光包括：通过所述光纤飞秒激光器出射飞秒激光脉冲，经过所述可调滤波器进行光谱波段选择，光谱波段选择中，可调滤波位置至少包括一种气体吸收特征的位置，光谱波段选择后的激光脉冲进入所述第一光纤放大器进行脉冲放大后，形成所述探测激光，入射所述分束器。

其中，通过所述分束器将所述探测激光分为第一部分激光以及第二部分激光。

优选的，所述探测方法中，所述探测臂包括：光纤环形器、光学收发系统以及折返镜；所述光纤环形器具有第一端口、第二端口以及第三端口，光线入射所述入射第一端口，从所述第二端口出射，光线入射所述第二端口，从所述第三端口出射；所述参考臂包括延时器；

所述通过所述探测臂将所述第一部分激光传输至待测气体，获取所述第一部分激光在所述待测气体中的反射回波信号，通过所述参考臂将所述第二部分激光进行延时处理形成参考光包括：

使得所述第一部分激光用于入射所述第一端口，依次通过所述第二端口以及所述光学收发系统后，入射所述待测气体，经过所述待测气体和所述折返镜反射后，形成所述反射回波信号，通过所述光学收发系统获取所述反射回波信号，将所述反射回波信号发送到所述第二端口，经过所述第三端口出射，通过第一光纤入射所述合束器的一个输入端口；

通过所述延时器对所述第二部分激光进行延时处理形成所述参考光，所述参考光通过第二光纤入射所述合束器的另一个输入端口。

优选的，所述探测方法中，所述光源接收模块包括：第一色散光纤、第二光纤放大器、第二色散光纤、第三光纤放大器、耦合器、光电探测器、示波器以及光谱仪；

所述通过光源接收模块获取所述混合激光信号，基于所述混合激光信号检测所述待测气体的气体成分包括：

使得所述混合激光信号依次通过所述第一色散光纤、所述第二光纤放大器、所述第二色散光纤以及所述第三光纤放大器进行实时傅里叶变换，将所述参考光和所述反射回波信号进行时域上的展宽和放大；

使得时域展宽和放大后的所述反射回波信号以及所述参考光通过所述耦合器进入所述光电探测器以及所述光谱仪，通过所述光电探测器接收一部分所述反射回波信号与一部分所述参考脉冲信号的时域干涉信号，通过所述示波器显示所述时域干涉信号，通过所述光谱仪接收另一部分所述反射回波信号与另一部分所述参考脉冲信号的频域干涉图，用于校准时频转换方程；

其中，所述示波器显示的所述时域干涉信号用于反演气体成分。

优选的，所述探测方法中，通过所述非平衡色散光纤实现非平衡色散，以抵消三阶色散对干涉条纹频率啁啾的影响，并利用非平衡色散引起的频率啁啾，将气体吸收特征在微波频率中体现，完成光频信息向微波频率的下转换；

所述探测方法还包括：校准频率啁啾的干涉条纹所对应的初始光频和终止光频。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的激光雷达以及气体成分探测方法中，引入非平衡色散方法，所述探测模块中M-Z(Mach-Zehnder，马赫-泽德)干涉仪的探测臂或是参考臂引入一段非平衡色散光纤，使得M-Z干涉仪产生频率啁啾的干涉条纹，探测激光经过待测气体后产生的吸收特征能够在干涉条纹的微波频率谱中体现，完成了光频的气体吸收特征向微波频率的下转换。采用单个频梳的相干技术，系统简易，可实时探测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种飞秒激光雷达的结构示意图；

图2为本发明实施例所述飞秒激光雷达基于非平衡色散进行多种气体实时探测的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如背景技术所述，现有的气体探测技术在实时探测和多种气体探测方面有较大缺陷，飞秒脉冲虽然具有很高的重复频率，但是两束飞秒脉冲发生干涉所要求的时延必须非常小，约几百飞秒，这对飞秒脉冲而言，测量动态范围将受到很大限制。双频梳干涉虽然能够在光谱范围内准确测量气体的吸收特征，但是普遍存在系统复杂、无法实时探测的问题，很难进行实际应用。

一方面，引入非平衡色散方法，所述探测模块中M-Z干涉仪的探测臂或是参考臂引入一段非平衡色散光纤，使得M-Z干涉仪产生频率啁啾的干涉条纹，探测激光经过待测气体后产生的吸收特征能够在干涉条纹的微波频率谱中体现，完成了光频的气体吸收特征向微波频率的下转换，采用单个频梳的相干技术，系统简易，可实时探测。另一方面，在光源模块中加入可调滤波器，将滤波位置设置在任意探测气体吸收带，可以完成激光光谱范围内任意气体成分的遥感，实现一种可编程式的多种气体实时探测。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种飞秒激光雷达的结构示意图，所示激光雷达包括：光源模块100、探测模块200以及光源接收模块300。所述光源模块100用于出射探测激光。

所述探测模块200包括：M-Z干涉仪200。所述M-Z干涉仪200包括：分束器4、参考臂、探测臂以及合束器11。

所述分束器4用于将所述探测激光分为第一部分激光以及第二部分激光。分束器4具有两个输出端，分别连接M-Z干涉仪200的探测臂和参考臂，分束器4的两个输出端用于分别出射第一部分激光和第二部分激光。M-Z干涉仪200的探测臂和参考臂分别连接所述合束器11的两个输入端。

所述探测臂用于将所述第一部分激光传输至待测气体，获取所述第一部分激光在所述待测气体中的反射回波信号。所述参考臂用于将所述第二部分激光进行延时处理形成参考光，使得所述参考光与所述第一部分激光具有设定的延时时间。所述合束器11用于将所述参考光与所述反射回波信号耦合为混合激光信号。所述探测臂或所述参考臂通过非平衡色散光纤与所述合束器11连接。

所述光源接收模块300用于获取所述混合激光信号，基于所述混合激光信号检测所述待测气体的气体成分。

图1所示飞秒激光雷达在所述探测模块中M-Z干涉仪5的探测臂或是参考臂引入一段非平衡色散光纤，可以通过非平衡色散的方法，使得M-Z干涉仪5产生频率啁啾的干涉条纹，探测激光经过待测气体后产生的吸收特征能够在干涉条纹的微波频率谱中体现，完成了微波频率的气体吸收特征向光频的下转换，采用单个频梳的相干技术，系统简易，可实时探测。

如图1所示，所述光源模块100包括：光纤飞秒激光器1、可调滤波器2以及第一光纤放大器3。光纤飞秒激光器1的输出端与可调滤波器2的输入端连接。可调滤波器2的输出端与第一光纤放大器3的输入端连接。第一光纤放大器3的的输出端与分束器4的输入端连接。

其中，所述光纤飞秒激光器1用于出射飞秒激光脉冲，所述飞秒激光脉冲依次通过所述可调滤波器2以及所述第一光纤放大器3后，形成所述探测激光脉冲，入射所述分束器4。这样，在光源模块100中加入可调滤波器2，将滤波位置设置在任意探测气体吸收带，可以完成激光光谱范围内任意气体成分的遥感，实现一种可编程式的多种气体实时探测。

如图1所示，所述探测臂包括：光纤环形器7、光学收发系统8以及折返镜9；所述光纤环形器7具有第一端口a、第二端口b以及第三端口c，光线入射所述入射第一端口a，从所述第二端口b出射，光线入射所述第二端口b，从所述第三端口c出射。光纤环形器7的第一端口a与分束器4用于出射第一部分激光的输出端连接。光纤环形器7的第二端口b与光学收发系统8的输入端连接。光纤环形器7的第三端口c通过第一光纤10与合束器11的一个输入端连接。所述第一部分激光作为探测光，经过第二端口b入射光学收发系统8，探测光通过光学收发系统8出射后，入射待测气体。

所述第一部分激光用于入射所述第一端口a，依次通过所述第二端口b以及所述光学收发系统8后，入射所述待测气体，经过所述待测气体和所述折返镜9反射后，形成所述反射回波信号。所述反射回波信号通过光学收发系统8入射所述第二端口b，经过所述第三端口c出射，通过第一光纤10入射所述合束器11的一个输入端口。

所述参考臂包括延时器5。所述延时器5的输入端连接所述分束器4用于出射第二部分激光的输出端。所述延时器5的输出端通过第二光纤6与合束器11的另一个输入端连接。所述第二部分激光经过所述延时器5进行延时处理形成所述参考光，所述参考光通过第二光纤6入射所述合束器11的另一个输入端口。其中，所述第一光纤10与所述第二光纤6中的一者为所述非平衡色散光纤。

具体的，当所述非平衡色散光纤的色散系数为负值时，所述探测臂通过所述非平衡色散光纤与所述合束器11连接；当所述非平衡色散光纤的色散系数为正值时，所述参考臂通过非平衡色散光纤与所述合束器11连接。在图1所示实施方式中，所述非平衡色散光纤的色散系数为负值，所述探测臂通过所述非平衡色散光纤与所述合束器11连接，也就是说所述第一光纤10为所述非平衡色散光纤。通过所述非平衡色散光纤可以抵消三阶色散的影响。

如图1所示，所述光源接收模块包括：第一色散光纤12、第二光纤放大器13、第二色散光纤14、第三光纤放大器15、耦合器16、光电探测器17、示波器18以及光谱仪19。光纤飞秒激光器1的触发信号与示波器18连接。

其中，第一色散光纤12、第二光纤放大器13、第二色散光纤14以及第三光纤放大器15组成实时色散傅里叶变换(时域拉伸)装置。

所述分束器4的输出端与所述第一色散光纤12的输入端连接。所述第二色散光纤12的输出端与所述第二光纤放大器13的输入端连接。所述第二光纤放大器13的输出端与所述第二色散光纤14的输入端连接。所述第二色散光纤的输出端与所述第三光纤放大器15的输入端连接。所述第三光纤放大器15的输出端与所述耦合器16的输入端口d连接。

所述混合激光信号依次通过所述第一色散光纤12、所述第二光纤放大器13、所述第二色散光纤14以及所述第三光纤放大器15，入射所述耦合器16的输入端口d。所述耦合器16具有两个输出端口e和f。所述耦合器16的输出端口e与光电探测器17连接，所述耦合器16的输出端口f与所述光谱仪19的输入端连接。

所述光谱仪19用于获取所述耦合器16对应输出端口e输出的一部分经过时域展宽放大后的所述反射回波信号以及所述参考光。所述光电探测器17于获取所述耦合器16对应输出端口f输出的另一部分经过时域展宽放大后的所述反射回波信号以及所述参考光，将获取的所述反射回波信号以及所述参考光发送给所述示波器18。

所述飞秒激光雷达采用实时色散傅里叶变换和M-Z干涉仪5中引入非平衡色散作为检测气体吸收特征的设计，其关键之处在于非平衡色散后的反射回波信号与参考光拍频信号为频率啁啾的微波干涉条纹，气体吸收特征便能够在干涉条纹中体现，完成了光频的吸收特征向的微波频率下转换。采用单频梳的相干技术，系统简易，可实时探测。本发明实施例中飞秒脉冲的重频为100MHz，每10ns就可以探测到一个时域干涉图，实现了气体成分的高速探测。相比于双频梳干涉，虽然都是干涉后微波频率中气体吸收特征对应光频信息，但是双频梳干涉系统复杂、无法实时探测，本发明实施例提供的方案有效的克服了上述缺点。此外，本发明实施例中光源模块100加入可调滤波器2，可选择待测气体的吸收带进行滤波，对于多种气体只需调节滤波位置便可完成每种气体的实时探测。

本发明实施例所述激光雷达为基于非平衡色散的飞秒激光雷达，可以进行多种气体的实施探测。为了解决实时的多种气体探测问题，本发明实施例所述激光雷达在飞秒激光超快测距的工作基础上，引入非平衡色散方法，使得M-Z干涉仪5的干涉条纹产生啁啾的微波频率，则探测气体的吸收特征会在干涉信号的微波频率中体现，通过接收时域干涉信号后进行傅里叶变换便能完成气体成分的实时探测。同时加入可调滤波器选择任意待测气体的吸收带进行滤波，能够完成激光光谱范围内多种气体的实时探测。

参考图2，图2为本发明实施例所述飞秒激光雷达基于非平衡色散进行多种气体实时探测的原理示意图，图2中A、B、C、D四幅图分别对应图1中A、B、C、D四个位置的光信号图形。

首先，图2A为光源模块的飞秒激光光谱和脉冲示意图，图2A中纵轴为幅值，左图横轴为频率，右图横轴为时间t。光纤飞秒激光器出射的激光经滤波和脉冲放大后进入M-Z干涉仪的探测臂和参考臂，滤波和放大后的频谱表示为F_FBG(f)，信号光经准直进入空气中，反射光中带有待测气体的吸收特征(虚线)，待测气体的吸收谱表示为F_gas(f)，则反射信号光的频谱为滤波和放大后光谱与气体吸收谱的卷积：

反射信号光和参考光的频谱示意图参见图2B，图2B中纵轴为幅值，横轴为频率。

然后，反射光经非平衡色散光纤后与延时后的参考光混合，混合光进入实时色散傅里叶变换装置完成“时频映射”，时域脉冲与频域信号的对应关系参见示意图2C，图2C中，纵轴为频率，横轴为时间。由于非平衡色散的作用，反射光脉冲在时域上的展宽略宽，反射光和参考光的时频关系分别表示为：

式中，β₂表示群速度色散，β₃表示三阶色散，L为实时色散傅里叶变换装置中的色散光纤长度，ΔL为非平衡色散光纤长度，Δt为M-Z干涉仪参考臂时延。

从式(1)和(2)中可以看出，非平衡色散使得反射信号光在时域上展宽略多，三阶色散使得反射信号光和参考光的时频映射关系产生了非线性，但是这种三阶色散引起的非线性可以由非平衡色散抵消。信号光和参考光经实时色散傅里叶变换装置后在光电探测器上发生干涉，干涉条纹为微波频率信号，其频谱表示为

时域和频域的干涉条纹示意图在图2D中展示，二者的时频关系可以根据f_s和f_r得出。

由公式(1)和(2)可以导出信号光和参考光拍频的时频关系为：

上式中省略了包含Δt²和

的项，这两项数值极小，为了便于计算，忽略该两项。

参见图2D所示的时域和频域干涉图，纵轴为频率，横轴为时间，干涉条纹中包含啁啾的微波频率信息，时域干涉条纹经傅里叶变换后得到微波频域的频梳，待测气体的吸收特征则能够在微波频梳中体现，完成了光频梳中气体吸收特征下转换到微波频梳中。图2D所示的时域干涉图进过快速傅里叶变换后得到微波频梳，通过去卷积算法能够得出气体吸收特征在微波频率上的表现F_gas(rf)，根据校准后的干涉条纹微波频率与光频对应关系，得出气体吸收谱F_gas(f)，此时的气体吸收谱与HITRAN数据库中气体吸收特征进行对比便可以准确得出待测气体成分。

本发明在实时色散傅里叶变换后进行时域干涉条纹的采集，并反演出气体成分，这种探测方法是实时的。此外，光源模块加入可调滤波器，通过选择滤波位置，可以对多种气体的吸收特征进行选择性探测，实现了可编程式的多种气体成分实时探测。

本发明实施例提供的上述一种飞秒激光雷达以及气体成分探测方法具有如下优点：

1)该方案采实时色散傅里叶变换(时域拉伸)和M-Z干涉仪中引入非平衡色散作为检测气体吸收特征的方法，其关键之处在于非平衡色散后的包含气体吸收特征的探测光与参考光拍频信号为频率啁啾的微波域干涉条纹，气体吸收特征便能够在干涉条纹中体现，进行快速傅里叶变换后便能得到包含气体吸收特征的微波频梳，完成了光频的吸收特征向微波频率的下转换。

2)由于飞秒激光的高重频100MHz，每10ns可以得到一个时域干涉图，能够实现实时的气体成分探测。

3)相比于双频梳干涉，虽然都采用干涉后微波频率中气体吸收特征对应光频信息，但是双频梳干涉系统复杂、无法实时探测，本发明所述的单飞秒激光器干涉方案有效的克服了上述缺点。

4)本发明中光源模块加入可调滤波器，可选择待测气体的吸收带进行滤波，能够完成激光光谱范围内任意气体成分的实时遥感。

基于上述实施例，本发明另一实施例还提供了一种气体成分探测方法，该探测方法用于如图1所示的激光雷达，该探测方法包括：

步骤S11：通过光源模块100出射探测激光。

所述光源模块100包括：光纤飞秒激光器1、可调滤波器2以及第一光纤放大器3。

该步骤中，所述通过光源模块100出射探测激光包括：通过所述光纤飞秒激光器1出射飞秒激光脉冲，经过所述可调滤波器2进行光谱波段选择，光谱波段选择中，可调滤波位置至少包括一种气体吸收特征的位置。当具有多种气体吸收特征的位置时，可以实现多种气体成分检测。本发明实施例所述技术方案可以用于气体同位素的检测。光谱波段选择后的激光脉冲进入所述第一光纤放大器3进行脉冲放大后，形成所述探测激光，第一光纤放大器3出射的探测激光入射所述分束器4。

步骤S12：通过探测模块200将所述探测激光分为第一部分激光以及第二部分激光。

所述探测模块200包括M-Z干涉仪200；所述M-Z干涉仪200包括分束器4、探测臂、参考臂以及合束器11。该步骤中，通过所述分束器4将所述探测激光分为第一部分激光以及第二部分激光。

步骤S13：通过所述探测臂将所述第一部分激光传输至待测气体，获取所述第一部分激光在所述待测气体中的反射回波信号，通过所述参考臂将所述第二部分激光进行延时处理形成参考光，使得所述参考光与所述第一部分激光具有设定的延时时间。所述探测臂或所述参考臂通过非平衡色散光纤与所述合束器连接。

所述探测臂包括：光纤环形器7、光学收发系统8以及折返镜9；所述光纤环形器7具有第一端口a、第二端口b以及第三端口c，光线入射所述入射第一端口a，从所述第二端口b出射，光线入射所述第二端口b，从所述第三端口出射c；所述参考臂包括延时器6。

该步骤中，所述通过所述探测臂将所述第一部分激光传输至待测气体，获取所述第一部分激光在所述待测气体中的反射回波信号，通过所述参考臂将所述第二部分激光进行延时处理形成参考光包括：

使得所述第一部分激光用于入射所述第一端口a，依次通过所述第二端口b以及所述光学收发系统8后，入射所述待测气体，经过所述待测气体和所述折返镜9反射后，形成所述反射回波信号，通过所述光学收发系统8获取所述反射回波信号，将所述反射回波信号发送到所述第二端口b，经过所述第三端口c出射，通过第一光纤10入射所述合束器11的一个输入端口；反射回波信号包括待测气体的吸收特征；

通过所述延时器5对所述第二部分激光进行延时处理形成所述参考光，所述参考光通过第二光纤6入射所述合束器11的另一个输入端口。

根据非平衡色散光纤的色散系数设置第一光纤10与第二光纤6中的一者为非平衡色散光纤。所述非平衡色散光纤具有非平衡色散作用，通过非平衡色散能够抵消三阶色散对干涉条纹频率啁啾的影响，并利用非平衡色散引起的频率啁啾，将气体吸收特征在微波频率中体现，完成光频信息向微波频率的下转换。

步骤S14：通过所述合束器11将所述参考光与所述反射回波信号耦合为混合激光信号。

具体的如上述，设置第一光纤10与第二光纤6中的一者为非平衡色散光纤。

步骤S15：通过光源接收模块300获取所述混合激光信号，基于所述混合激光信号检测所述待测气体的气体成分。

所述光源接收模块300包括：第一色散光纤12、第二光纤放大器13、第二色散光纤14、第三光纤放大器15、耦合器16、光电探测器17、示波器18以及光谱仪19。所述合束器11出射所述混合激光信号，入射所述第一色散光纤12。所述第一色散光纤12、所述第二光纤放大器13、所述第二色散光纤14以及所述第三光纤放大器15组成实时傅里叶变换装置。

该步骤中，所述通过光源接收模块300获取所述混合激光信号，基于所述混合激光信号检测所述待测气体的气体成分包括：

首先，使得所述混合激光信号依次通过所述第一色散光纤12、所述第二光纤放大器13、所述第二色散光纤14以及所述第三光纤放大器15进行实时傅里叶变换，将所述参考光和所述反射回波信号进行时域上的展宽和放大；混合激光信号经过实时傅里叶变换装置，反射回波信号和参考光在时域上展宽和放大，反射回波信号由于受到非平衡色散的影响，用于略宽的时域展宽，经过实时傅里叶变换后的时序信号与频域信号完成实时的“时频映射”。

然后，使得时域展宽和放大后的所述反射回波信号以及所述参考光通过所述耦合器16进入所述光电探测器17以及所述光谱仪19，通过所述光电探测器17接收一部分所述反射回波信号与一部分所述参考脉冲信号的时域干涉信号，通过所述示波器18显示所述时域干涉信号，通过所述光谱仪19接收另一部分所述反射回波信号与另一部分所述参考脉冲信号的频域干涉图，用于校准时频转换方程。

其中，所述18显示的所述时域干涉信号用于反演气体成分。反演气体成分信息使用示波器18显示的时域干涉信号，该信号的频谱处于微波频率，经傅里叶变换后得到微波频率信息，微波频率信息与光频信息对应后便能够反演气体特征。包含气体吸收特征的光频信息是经滤波器2滤波后信号和气体吸收特征信号的卷积，通过去卷积得到气体吸收特征信号。

本发明实施例所述技术方案中，通过所述非平衡色散光纤实现非平衡色散，以抵消三阶色散对干涉条纹频率啁啾的影响，并利用非平衡色散引起的频率啁啾，将气体吸收特征在微波频率中体现，时域干涉图进行傅里叶变换后得到微波频梳信息，完成光频信息向微波频率信息的下转换。可选的，所述探测方法还包括：校准频率啁啾的干涉条纹所对应的初始光频和终止光频。具体的，调整时延，根据延时时间和时频转换方程，校准干涉图起始频率和终止频率对应的光学信号的起始频率和终止频率；最后根据校准关系将微波频梳中的气体吸收特征转换到光频中，并用得到的气体吸收特征与HITRAN数据库对比，完成气体成分的探测。

可以通过上述激光雷达实现该气体探测方法，所述气体探测方法在飞秒激光超快测距的工作基础上，引入非平衡色散方法，使得M-Z干涉仪200的干涉条纹产生啁啾的微波频率，则探测气体的吸收特征会在干涉信号的微波频率中体现，通过接收时域干涉信号便能完成气体成分的实时探测。同时加入可调滤波器选择任意待测气体的吸收带进行滤波，能够完成激光光谱范围内多种气体的实时探测。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的气体探测方法而言，由于其与实施例公开的激光雷达相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见激光雷达对应部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种飞秒激光雷达，用于气体成分探测，其特征在于，所述激光雷达包括：

光源模块，所述光源模块用于出射探测激光；

探测模块，所述探测模块包括M-Z干涉仪；所述M-Z干涉仪包括分束器、探测臂、参考臂以及合束器；所述分束器用于将所述探测激光分为第一部分激光以及第二部分激光；所述探测臂用于将所述第一部分激光传输至待测气体，获取所述第一部分激光在所述待测气体中的反射回波信号；所述参考臂用于将所述第二部分激光进行延时处理形成参考光，使得所述参考光与所述第一部分激光具有设定的延时时间；所述合束器用于将所述参考光与所述反射回波信号耦合为混合激光信号；所述探测臂或所述参考臂通过非平衡色散光纤与所述合束器连接；

光源接收模块，所述光源接收模块用于获取所述混合激光信号，基于所述混合激光信号检测所述待测气体的气体成分。

2.根据权利要求1所述的飞秒激光雷达，其特征在于，所述光源模块包括：光纤飞秒激光器、可调滤波器以及第一光纤放大器；

其中，所述光纤飞秒激光器用于出射飞秒激光秒冲，所述飞秒激光秒冲依次通过所述可调滤波器以及所述第一光纤放大器后，形成所述探测激光脉冲，入射所述分束器。

3.根据权利要求1所述的飞秒激光雷达，其特征在于，所述探测臂包括：光纤环形器、光学收发系统以及折返镜；所述光纤环形器具有第一端口、第二端口以及第三端口，光线入射所述入射第一端口，从所述第二端口出射，光线入射所述第二端口，从所述第三端口出射；

所述第一部分激光用于入射所述第一端口，依次通过所述第二端口以及所述光学收发系统后，入射所述待测气体，经过所述待测气体和所述折返镜反射后，形成所述反射回波信号；所述反射回波信号通过光学收发系统入射所述第二端口，经过所述第三端口出射，通过第一光纤入射所述合束器的一个输入端口；

所述参考臂包括延时器，所述第二部分激光经过所述延时器进行延时处理形成所述参考光，所述参考光通过第二光纤入射所述合束器的另一个输入端口；

其中，所述第一光纤与所述第二光纤中的一者为所述非平衡色散光纤。

4.根据权利要求1所述的飞秒激光雷达，其特征在于，所述光源接收模块包括：第一色散光纤、第二光纤放大器、第二色散光纤、第三光纤放大器、耦合器、光电探测器、示波器以及光谱仪；

所述混合激光信号依次通过所述第一色散光纤、所述第二光纤放大器、所述第二色散光纤以及所述第三光纤放大器，入射所述耦合器的输入端口；

所述耦合器具有两个输出端口，分别连接所述光电探测器与所述光谱仪；

所述光谱仪用于获取所述耦合器对应输出端口输出的一部分经过时域展宽放大后的所述反射回波信号以及所述参考光；

所述光电探测器用于获取所述耦合器对应输出端口输出的另一部分经过时域展宽放大后的所述反射回波信号以及所述参考光，将获取的所述反射回波信号以及所述参考光发送给所述示波器。

5.根据权利要求1-4任一项所述的飞秒激光雷达，其特征在于，所述非平衡色散光纤的色散系数为负值，所述探测臂通过所述非平衡色散光纤与所述合束器连接；

或者，所述非平衡色散光纤的色散系数为正值，所述参考臂通过非平衡色散光纤与所述合束器连接。

6.一种气体成分探测方法，其特征在于，所述探测方法包括：

通过光源模块出射探测激光；

通过探测模块将所述探测激光分为第一部分激光以及第二部分激光；所述探测模块包括分束器、M-Z干涉仪以及合束器；所述M-Z干涉仪包括探测臂以及参考臂；

通过所述探测臂将所述第一部分激光传输至待测气体，获取所述第一部分激光在所述待测气体中的反射回波信号，通过所述参考臂将所述第二部分激光进行延时处理形成参考光，使得所述参考光与所述第一部分激光具有设定的延时时间；所述探测臂或所述参考臂通过非平衡色散光纤与所述合束器连接；

通过所述合束器将所述参考光与所述反射回波信号耦合为混合激光信号；

通过光源接收模块获取所述混合激光信号，基于所述混合激光信号检测所述待测气体的气体成分。

7.根据权利要求6所述的探测方法，其特征在于，所述光源模块包括：光纤飞秒激光器、可调滤波器以及第一光纤放大器；

所述通过光源模块出射探测激光包括：通过所述光纤飞秒激光器出射飞秒激光脉冲，经过所述可调滤波器进行光谱波段选择，光谱波段选择中，可调滤波位置至少包括一种气体吸收特征的位置，光谱波段选择后的激光脉冲进入所述第一光纤放大器进行脉冲放大后，形成所述探测激光，入射所述分束器；

其中，通过所述分束器将所述探测激光分为第一部分激光以及第二部分激光。

8.根据权利要求6所述的探测方法，其特征在于，所述探测臂包括：光纤环形器、光学收发系统以及折返镜；所述光纤环形器具有第一端口、第二端口以及第三端口，光线入射所述入射第一端口，从所述第二端口出射，光线入射所述第二端口，从所述第三端口出射；所述参考臂包括延时器；

所述通过所述探测臂将所述第一部分激光传输至待测气体，获取所述第一部分激光在所述待测气体中的反射回波信号，通过所述参考臂将所述第二部分激光进行延时处理形成参考光包括：

使得所述第一部分激光用于入射所述第一端口，依次通过所述第二端口以及所述光学收发系统后，入射所述待测气体，经过所述待测气体和所述折返镜反射后，形成所述反射回波信号，通过所述光学收发系统获取所述反射回波信号，将所述反射回波信号发送到所述第二端口，经过所述第三端口出射，通过第一光纤入射所述合束器的一个输入端口；

通过所述延时器对所述第二部分激光进行延时处理形成所述参考光，所述参考光通过第二光纤入射所述合束器的另一个输入端口。

9.根据权利要求6所述的探测方法，其特征在于，所述光源接收模块包括：第一色散光纤、第二光纤放大器、第二色散光纤、第三光纤放大器、耦合器、光电探测器、示波器以及光谱仪；

所述通过光源接收模块获取所述混合激光信号，基于所述混合激光信号检测所述待测气体的气体成分包括：

使得所述混合激光信号依次通过所述第一色散光纤、所述第二光纤放大器、所述第二色散光纤以及所述第三光纤放大器进行实时傅里叶变换，将所述参考光和所述反射回波信号进行时域上的展宽和放大；

使得时域展宽和放大后的所述反射回波信号以及所述参考光通过所述耦合器进入所述光电探测器以及所述光谱仪，通过所述光电探测器接收一部分所述反射回波信号与一部分所述参考脉冲信号的时域干涉信号，通过所述示波器显示所述时域干涉信号，通过所述光谱仪接收另一部分所述反射回波信号与另一部分所述参考脉冲信号的频域干涉图，用于校准时频转换方程；

其中，所述示波器显示的所述时域干涉信号用于反演气体成分。

10.根据权利要求6所述的探测方法，其特征在于，通过所述非平衡色散光纤实现非平衡色散，以抵消三阶色散对干涉条纹频率啁啾的影响，并利用非平衡色散引起的频率啁啾，将气体吸收特征在微波频率中体现，完成光频信息向微波频率的下转换；

所述探测方法还包括：校准频率啁啾的干涉条纹所对应的初始光频和终止光频。

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