CN110849829A - 一种气体浓度检测的高光谱系统 - Google Patents

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廉玉生
刘子龙
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Abstract

本发明公开了一种气体浓度检测的高光谱系统，光源发出的光线经准直镜准直后形成具有设定数值孔径的平行光，入射到光学吸收腔的物镜，并在光学吸收腔的物镜和场镜之间进行多次折返，通过多次折返，被光学吸收腔内气体吸收后的光线入射至双光路干涉结构的分束板上，入射至分束板的光线被1:1分为两路，一路由分束板反射至平面反射镜，经平面反射镜反射至分束板，由分束板透射至会聚镜；另一路由分束板透射至立方角反射镜，经立方角反射镜反射至分束板，最后由分束板反射至会聚镜；会聚镜将两路光线会聚，并成像至探测器上。本发明有高光谱分辨率和高通量的优势，可得到较高信噪比的高分辨率光谱数据，最终提升检测系统的浓度检出限。

Description

一种气体浓度检测的高光谱系统
技术领域
本发明属于光电检测技术领域，涉及一种气体浓度检测的高光谱系统。
背景技术
光学吸收光谱法是一种气体浓度检测方法，而气体的光谱获取是光学吸收光谱法进行浓度反演的基础和关键技术，气体吸收光谱的分辨率决定了可检测气体的种类数量和检出限。
目前，传统的吸收光谱法检测气体浓度多采用光学吸收腔增加气体光程，通过增加光线在气体中的光程，提高对低浓度气体的检测能力(提高检出限)。并在吸收腔的输出孔径处以光纤光谱仪进行目标气体特征吸收光谱获取，再利用光学吸收光谱技术对气体的浓度进行反演。
光纤光谱仪的的工作原理是基于光栅色散分光。利用光栅的色散能力，将狭缝光线按照波长在空间分开，并用线阵探测器接收。线阵探测器上不同位置的感光单元接收到不同波长的能量，最终得到气体在整个波段的范围的光谱。光纤光谱仪受其光栅色散分光原理的限制，此类光纤光谱仪具有谱线弯曲，波长精度有限；受光栅性能和分光能力限制，光栅光谱系统的光谱分辨率有限；此外，其狭缝宽度直接影响仪器的光谱分辨率。因此，为获得较高光谱分辨率，需要将狭缝宽度做的很窄。这在很大程度上影响了整个系统的光通量，无法得到较高信噪比的光谱信号，致使其对气体吸收光谱的探测能力较低。
光学吸收腔充有待测气体。光源发出的光线被准直后，平行光进入光学吸收腔的输入孔径，并在物镜和场镜的多次反射后，在光学吸收腔的出射孔径以平行光出射；在光学吸收腔的出射孔径处以光纤探头接收光线，并传导至光纤光谱仪。进入光纤光谱仪的光线，在光谱仪内部，经过狭缝限制其通光孔径，经过准直镜入射到光栅，经过光栅分光后的光线被聚光镜会聚至线阵探测器上。
传统气体检测光谱系统的缺点：
1.为使用光纤光谱仪，吸收腔的光线输入孔径非常小，限制了系统的光通量，从而影响气体浓度的检测限。
2.吸收腔的输出孔径也很小，出射的光线由光纤传导，光通量受到光纤孔径的限制；光通量和光能利用率低；在一定程度上降低了系统的光谱灵敏度。
3.光纤光谱仪的光栅色散分光原理决定了其不可避免的具有谱线弯曲的缺点，并在光谱仪中使用宽度与光谱分辨率成反比的狭缝，因此，其光谱精度和光通量收到限制。
4.整个光纤光谱系统的光谱分辨率低(最高为1nm左右)，限制了可检出气体的种类和浓度检出限。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种气体浓度检测的高光谱系统，实现增加系统光通量的同时，可获取高光谱分辨率的气体吸收光谱数据。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种气体浓度检测的高光谱系统，其包括光源、准直镜、光学吸收腔、双光路干涉结构、会聚镜和探测器，光学吸收腔包括反射面相对布置的物镜和场镜，双光路干涉结构包括平面反射镜、立方角反射镜和分束板；光源发出的光线经准直镜准直后形成具有设定数值孔径的平行光，入射到光学吸收腔的物镜，并在光学吸收腔的物镜和场镜之间进行多次折返，通过多次折返，被光学吸收腔内气体吸收后的光线入射至双光路干涉结构的分束板上，入射至分束板的光线被1:1分为两路，一路由分束板反射至平面反射镜，经平面反射镜反射至分束板，由分束板透射至会聚镜；另一路由分束板透射至立方角反射镜，经立方角反射镜反射至分束板，最后由分束板反射至会聚镜；会聚镜将两路光线会聚，并成像至探测器上；在探测器的每个像素点获得随立方角移动变化的明暗相间的干涉光信号，对像素点的信号进行去噪声和去直流预处理，并进行傅里叶变换，得到气体的吸收光谱。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的气体浓度检测的高光谱系统，具有高光谱分辨率和高通量的优势，可得到较高信噪比的高分辨率光谱数据，最终提升检测系统的浓度检出限，可以对浓度较低的气体进行浓度检测，并提高可检测气体的种类数量。
附图说明
图1为用于气体检测的高光谱系统原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本专利提出一种用于气体浓度检测的光谱系统，使用多光程光学吸收腔增加光线在待测气体中的光程，提高信噪比，以提高气体浓度检出限和检测精度；该系统的光谱采集系统采用双光路干涉装置，获取目标气体的干涉信号，其中一路的反射镜可移动，以产生一系列变化的光程差，并利用傅里叶变换获取目标气体吸收光谱。
本发明将光学吸收腔和高光谱探测装置有机结合，形成一体化装置，光学吸收腔增加光线在气体中的折返次数以增加光程，提高气体吸收光谱信噪比，从而达到提高气体浓度检出限的目的。以双路结构对光学吸收腔的出射光线进行干涉，通过反射一路光线的立方角反射镜移动产生变化光程差，并通过干涉信号的傅里叶变换获取气体吸收光谱。在整个装置中，没有狭缝限制，从而提高了系统整体的光通量，进而提高整个装置系统的信噪比，达到提高气体浓度检测精度和检出限的目的。整个系统的光程差，通过移动干涉装置中一路反射光的立方角反射镜，增加光程差的变化范围，以提高系统光谱反射率，得到高分辨率光谱。此外，与传统光纤光谱仪的光栅分光原理相比，具有干涉分光无谱线弯曲，成本更低的优点。
如图1所示，本发明气体浓度检测的高光谱系统包括光源、准直镜、光学吸收腔、双光路干涉结构、会聚镜和探测器，光学吸收腔包括反射面相对布置的物镜和场镜，双光路干涉结构包括平面反射镜、立方角反射镜和分束板；光源发出的光线经准直镜准直后形成具有设定数值孔径的平行光，入射到光学吸收腔的物镜，并在光学吸收腔的物镜和场镜之间进行多次折返，通过多次折返，被光学吸收腔内气体吸收后的光线入射至双光路干涉结构的分束板上，入射至分束板的光线被1:1分为两路，一路由分束板反射至平面反射镜，经平面反射镜反射至分束板，由分束板透射至会聚镜；另一路由分束板透射至立方角反射镜，经立方角反射镜反射至分束板，最后由分束板反射至会聚镜；会聚镜将两路光线会聚，并成像至探测器上。
其中，光源为面光源或宽狭缝光源；分束板为半透半反镜。
相同入射角度的平行光成像至会聚镜像面的同一点上形成干涉，两路光线的光程差随入射角度不同发生变化。此外，立方角反射镜被置于可控的线性位移平台上，可沿光学吸收腔出射光线的光轴线性移动。随立方角反射镜的移动，每个像点的光程差可发生变化。本发明可根据系统成本要求使用点探测器、线阵探测器或面阵探测器。
因此，在探测器的每个像素点都可以获得随立方角移动变化(随时间变化的光程差)的明暗相间的干涉光信号。对像素点的信号进行去噪声和去直流等预处理，并进行傅里叶变换，就可以得到气体的吸收光谱。如果使用线阵探测器或面阵探测器，可获取多个像素点的干涉光信号并进行后续的去噪、去直流和傅里叶变换处理，可以增加整个系统的光通量、探测灵敏度和光谱精度。干涉光谱系统的光谱分辨率与光程差成正比，本发明中采用移动的立方角反射镜产生可变光程差，可以获取很大范围的光程差干涉信号。因此，本发明的系统具有高光谱分辨率的特性。
分束板与光学吸收腔出射光线光轴的夹角为45°，平面反射镜与分束板的夹角为45°，立方角反射镜置于线性位移平台上，可沿光学吸收腔出射光线光轴方向移动。
具体实施中，准直镜可采用球面反射镜或长焦距透镜(f＝75mm)；光学吸收腔可采用White型或改进White型的Chernin多光程光学吸收腔；会聚镜采用凹球面反射镜或会聚透镜；使用探测器接收会聚镜像面上的随立方角反射镜移动变化的明暗相间的干涉信号；对探测器得到的干涉信号进行去直流和切趾等预处理，并进行傅里叶变换，就可以获取气体的吸收光谱。
本发明的光谱分辨率计算过程如下：
以立方角反射镜的移动范围为2cm计算，系统的最大光程差为L＝2cm：
波数分辨率为
Figure BDA0002260180940000051
对应300nm的波长分辨率为：Δλ＝λ2Δv＝0.0045nm
一般光栅光谱系统的光谱分辨率0.1nm左右，本发明系统的光谱分辨率高出两个数量级左右。
本发明与传统的光学吸收腔和光纤光谱仪的分体式装置不同。传统气体检测装置在光学吸收腔的出射孔径后利用光纤连接光栅色散分光的光纤光谱仪；而本发明将光学光学吸收腔和双路干涉有机结合起来，形成一体化装置。在吸收腔入射孔径前可使用面光源，在整个装置无限制光通量的狭缝，具有高通量，高信噪比的优势。可提高气体浓度的检测限。本发明的装置的光程差变化范围大，可通过立方角反射镜的移动得到随时间变化的较大光程差，具有高光谱分辨率的优势。
与现有技术的方式相比，本发明无狭缝限制和二次准直，具有高通量的、高灵敏度的优势；利用干涉原理获取不同光程差的干涉信号，并进行傅里叶变换得到气体吸收光谱，无传统光栅分光的谱线弯曲缺点，并具有低成本的优点；光程差变化范围大，具有高光谱分辨率的优势；使用单点、线阵、面阵探测器可选，在一定程度上可降低成本。
本专利提出的装置，避免光栅光谱仪狭缝宽度与光谱分辨率成反比的缺点，在整个系统中取消狭缝，以提高系统的光通量和灵敏度；采用干涉分光的原理，无需光栅分光，避免光栅分光引起的谱线弯曲；通过可以移动的立方角反射镜增加光程差的变化范围，提高系统光谱分辨率；与光栅相比，干涉分光器件也可降低成本；整个系统是一体化设计，更加紧凑。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种气体浓度检测的高光谱系统，其特征在于，包括光源、准直镜、光学吸收腔、双光路干涉结构、会聚镜和探测器，光学吸收腔包括反射面相对布置的物镜和场镜，双光路干涉结构包括平面反射镜、立方角反射镜和分束板；光源发出的光线经准直镜准直后形成具有设定数值孔径的平行光，入射到光学吸收腔的物镜，并在光学吸收腔的物镜和场镜之间进行多次折返，通过多次折返，被光学吸收腔内气体吸收后的光线入射至双光路干涉结构的分束板上，入射至分束板的光线被1:1分为两路，一路由分束板反射至平面反射镜，经平面反射镜反射至分束板，由分束板透射至会聚镜；另一路由分束板透射至立方角反射镜，经立方角反射镜反射至分束板，最后由分束板反射至会聚镜；会聚镜将两路光线会聚，并成像至探测器上；在探测器的每个像素点获得随立方角移动变化的明暗相间的干涉光信号，对像素点的信号进行去噪声和去直流预处理，并进行傅里叶变换，得到气体的吸收光谱。
2.如权利要求1所述的气体浓度检测的高光谱系统，其特征在于，所述光源为面光源或宽狭缝光源。
3.如权利要求1所述的气体浓度检测的高光谱系统，其特征在于，所述分束板为半透半反镜。
4.如权利要求1所述的气体浓度检测的高光谱系统，其特征在于，相同入射角度的平行光成像至会聚镜像面的同一点上形成干涉，两路光线的光程差随入射角度不同发生变化。
5.如权利要求1所述的气体浓度检测的高光谱系统，其特征在于，所述立方角反射镜设置于可控的线性位移平台上，沿光学吸收腔出射光线的光轴线性移动，随立方角反射镜的移动，每个像点的光程差发生变化。
6.如权利要求1所述的气体浓度检测的高光谱系统，其特征在于，所述探测器为点探测器、线阵探测器或面阵探测器。
7.如权利要求1所述的气体浓度检测的高光谱系统，其特征在于，所述分束板与光学吸收腔出射光线光轴的夹角为45°，平面反射镜与分束板的夹角为45°。
8.如权利要求1所述的气体浓度检测的高光谱系统，其特征在于，所述准直镜采用球面反射镜或长焦距透镜。
9.如权利要求1所述的气体浓度检测的高光谱系统，其特征在于，所述光学吸收腔采用White型或改进White型的Chernin多光程光学吸收腔。
10.如权利要求1所述的气体浓度检测的高光谱系统，其特征在于，所述会聚镜采用凹球面反射镜或会聚透镜。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112461772A (zh) * 2020-11-17 2021-03-09 武汉大学 一种c5f10o混合气体浓度光学检测的方法

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