CN111077110A - 一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法，系统包括同步模块、两个光学频率梳、2×1光纤耦合器、光学带通滤波器、1×8光开关、光电探测器、信号采集与处理模块、激光发射装置、探测器阵列；同步模块提供工作时钟；两个光学频率梳产生的飞秒脉冲经2×1光纤耦合器耦合，光学带通滤波器滤波，由1×8光开关切换连接到光电探测器和激光发射装置，光电探测器和探测器阵列上产生的双光梳干涉信号由信号采集与处理模块采集后提取吸收谱信息，计算不同谱线的积分吸收率，结合迭代重建算法获得局部积分吸收率，计算得到温度分布和浓度分布。本发明利用光频梳的精密光谱分辨能力实现温度场和浓度场的测量，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法，属于激光诊断技术领域，该系统用于待测区域内温度、特定分子浓度的二维分布测量。

背景技术

作为一种响应快速、灵敏度高、抗干扰的非接触式测量方法，基于激光吸收光谱的气体参数测量技术近些年来得到了快速发展，被广泛应用于燃烧诊断、大气监测、工业现场等领域。

传统的激光吸收光谱技术主要使用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TunableDiode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)。TDLAS技术中使用的可调谐二极管激光器的波长扫描范围有限，一般只能覆盖一种待测气体的一到两个特征吸收峰。为了使用比色法对温度进行准确的测量，一般依据测试温度范围选择不少于两个特征吸收峰，且其低能级能量应有较大的差异，在实际使用中一般使用多个激光器对多个吸收谱线进行扫描。比如，2011年李飞等人发表在《应用光学》(Applied Optics)第50卷第36期6697-6707页的论文《使用可调谐二极管激光传感器对超燃冲压发动机多流动参数进行同时测量》(Simultaneous measurements of multiple flow parameters for scramjetcharacterization using tunable diode-laser sensors)中使用中心波数为7185cm^-1和7444cm^-1的两个分布反馈式(Distributed Feedback，DFB)激光器测试了超燃冲压发动机三个不同位置的气流速度、温度和H₂O浓度三个参数。为了测量多种组分的浓度，也需要选用多个二极管激光器。2009年，G.B.Rieker等人发表在《应用光学》(Applied Optics)第48卷第29期5546页的论文《在恶劣的环境中使用无校准波长调制光谱测量气体温度和浓度》(Calibration-free wavelength-modulation spectroscopy for measurements of gastemperature and concentration in harsh environments)在测试超燃冲压发动机排气口的温度、CO₂、H₂O浓度的过程中使用了六个不同波段的DFB激光器，光栅分光后利用多个探测器接收不同波段的激光信号，增加了系统的复杂程度。除此之外，在利用TDLAS技术获取吸收谱特征的过程中，一般需要使用标准具标定波长扫描/调制过程中的波长变化，标定吸收模型。为了获得一定区域内温度、组分浓度的分布，层析成像技术被引入激光吸收光谱技术领域，通过多角度多激光束的投影获取气体参数的二维分布。比如，2018年，C.Liu等人发表在《电器和电子工程师协会仪器与测量汇刊》(IEEE Transactions on Instrumentationand Measurement)第67卷第6期第1338-1348页的论文《基于TDLAS层析成像技术的旋流火焰横截面在线监测》(Online Cross-Sectional Monitoring of a Swirling Flame UsingTDLAS Tomography)一文中使用H₂O的两个特征谱线，利用五个角度60束激光的TDLAS层析成像系统，重建了旋转火焰横截面的温度和H₂O浓度的二维分布，发现了呈现新月形的旋转高温区。

光频梳(Optical Frequency Comb，OFC)作为一种新型超短脉冲激光光源，在光谱上表现为一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的光学频率分量，其频率间隔为激光脉冲重复频率，光谱范围可以覆盖数十纳米到数百纳米。因其单脉冲的时间短、光谱范围宽、可以实现光学频率到射频的映射等优点，光频梳技术在近十年来得以快速发展，成功应用于绝对距离测量、超快成像、宽谱光谱学、大气科学等领域。目前，光频梳在气体浓度测试方面已经取得了重要应用。2018年，S.Coburn等人发表在《光学》(Optica)第5卷第4期320页的论文《利用现场部署的双频梳光谱仪进行区域内痕量气体归属研究》(Regional trace-gassource attribution using a field-deployed dual frequency comb spectrometer)中使用双光梳(Dual Frequency Comb，DFC)系统对超过1km范围开阔区域内的CH₄泄漏速度进行监测。光频梳技术也在高温测试领域得到了初步的应用。2014年C.A.Alrahman等人发表在《光学快报》(Optics Express)第22卷第11期13889页的论文《火焰中水蒸气的腔增强光学频率梳光谱》(Cavity-enhanced optical frequency comb spectroscopy of high-temperature H₂O in a flame)中使用单个光频梳对预混的甲烷/空气层流火焰进行了测试，实验中使用傅里叶变换光谱仪作为光谱分析手段获取精细的光谱结构，给出了高温水蒸气的吸收光谱。该论文虽然没有给出水蒸气的温度、浓度的计算方法和结果，但是初步展示了光频梳在高温测试领域的潜在应用价值。论文中使用的傅里叶变换光谱仪基于迈克尔逊干涉仪原理进行测试，为了获得较宽的波长测试范围，需要增加机械臂的扫描长度，使得系统稳定性下降，同时机械扫描导致设备测试时间长，不适用于需要快速测量的场合。2017年P.J.Schroeder等人发表在《燃烧学会学报》(Proceedings of the CombustionInstitute)第36卷第3期4565–4573页的论文《双光梳吸收光谱用于16兆瓦燃气轮机排气口》(Dual frequency comb laser absorption spectroscopy in a 16MW gas turbineexhaust)对燃气轮机排气口的温度以及二氧化碳、水蒸气浓度的平均值进行了长期监测。使用的双光梳系统在1435.5～1445.1nm范围内以1.4pm的光谱分辨率覆盖了水蒸气的上百条吸收谱线和二氧化碳的数十条吸收谱线，通过高次多项式拟合的方式获取基线，进而得到光谱吸收曲线，然后通过多光谱拟合的方式获取激光路径上的平均温度和气体浓度。论文使用到的高次多项式拟合基线的方式在光频梳光谱形状不够平坦或存在严重畸变时拟合效果较差，除此之外，吸收强度较大时，吸收峰两翼存在的弱吸收不利于基线拟合。同时，多光谱拟合的方式需要多次调整温度、浓度、压力等与吸收谱相关的拟合参数，增加了计算负担和数据处理的复杂度。

双光梳光谱技术作为一项新兴技术，目前在燃烧诊断领域的应用局限在单条激光路径上的气体参数的平均值提取，尚没有文献公开报道其应用于一定区域内温度、气体浓度等参数的二维分布重建。基于以上背景，本发明提出了一种基于双光梳光谱技术的温度浓度场测量系统和方法，利用双光梳作为光源，使用光开关实现不同激光投影角度间的切换，通过双光梳的干涉信号提取不同激光路径上的吸收谱信息，结合迭代重建算法获取多个吸收谱线的局部积分吸收率分布，进而得到待测区域内温度分布和气体分子浓度分布。本系统使用双光梳作为激光源，可利用其较宽的光谱范围实现对多种气体分子浓度的测量；利用其稳定的重复频率确定吸收谱的频率间隔使系统免于相对频率标定。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法，为双光梳在气体参数测量、燃烧场监测等方面的应用提供一种解决方案。

(二)技术方案

本发明提出的基于双光梳光谱技术的温度浓度场测量系统包括同步模块、第一光学频率梳、第二光学频率梳、2×1光纤耦合器、光学带通滤波器、1×8光开关、光电探测器、信号采集与处理模块、激光发射装置、探测器阵列；其中，同步模块为第一光学频率梳、第二光学频率梳、1×8光开关、信号采集与处理模块提供工作时钟；重复频率差固定的第一光学频率梳、第二光学频率梳产生的超短飞秒光学脉冲经2×1光纤耦合器耦合，经过光学带通滤波器滤波接入1×8光开关通过开关切换产生8个输出，分别接到一个光电探测器和七边形传感器的七个激光发射装置，激光发射装置将光纤内的激光展成扇形激光照射到探测器阵列，光电探测器和探测器阵列上产生的双光梳干涉信号被信号采集与处理模块采集后进行处理分析，从中提取吸收谱信息，计算不同吸收谱线处的积分吸收率，结合迭代重建算法得到待测区域内的局部积分吸收率分布，进而计算待测区域内的温度、气体分子浓度分布。具体包括以下步骤：

步骤一：搭建双光梳光谱温度场和浓度场测量系统并采集干涉信号；

内部包含高稳定时钟信号源的同步模块为第一光学频率梳、第二光学频率梳、1×8光开关、信号采集与处理模块提供工作时钟；将第一光学频率梳、第二光学频率梳锁定到该高稳定时钟信号源，其重复频率分别为f_r1、f_r2(f_r1<f_r2)，重频差f_rep＝f_r2-f_r1；光开关的切换频率f_sw锁定到该高稳定时钟信号源，重复频率差f_rep是切换频率f_sw的8n倍，n为正整数；信号采集与处理模块的采样时钟采用外部输入时钟，为第一光学频率梳的重复频率f_r1或是第二光学频率梳的重复频率f_r2；

第一光学频率梳、第二光学频率梳产生的覆盖一定光谱范围的超短飞秒光学脉冲通过2×1光纤耦合器耦合后，通过光学带通滤波器选择激光的光谱范围，该光学带通滤波器的光谱范围依据待测区域内的气体组分进行选择，光学带通滤波器的带宽BW满足式(1)，使得两个光学频率梳的多外差干涉产生的干涉信号间不发生频谱混叠；

光学带通滤波器的输出接入1×8光开关的输入，1×8光开关通过开关切换和分时策略将输入激光通过光开关的8个输出端口分时输出；1×8光开关的切换频率固定为f_sw，完成一轮切换的时间为1/f_sw，且每个输出端口激光输出的时间保持一致为1/(8f_sw)；1×8光开关的一个输出直接耦合到光电探测器，用于检测未经过吸收的两个超短光学脉冲的干涉信号，作为参考信号；其余七个输出分别接到七边形传感器的激光发射装置，激光发射装置将光纤内的激光展成扇形激光，该扇形激光覆盖七边形传感器的五条边上的探测器阵列，不包括激光发射装置所在顶点的两条临边在内；每条边上探测器阵列上集成的m个光电二极管，用于检测经过待测区域吸收后的两个超短光学脉冲的干涉信号，作为测量信号；每次扫描通过光开关控制七个激光发射装置使用分时扫描的方式依序发射扇形激光束，从每个角度发射的扇形激光束可以覆盖七边形传感器的五条边，每次扫描完成后可得到35m条激光路径上的测量信号；

产生的参考信号和测量信号经信号采集与处理模块前端集成的低通滤波器(低通滤波器的带宽小于f_r1/2)滤除高频激光脉冲信号以及频率不小于f_r1/2的干涉信号高频分量，避免发生频谱混叠；信号采集的时钟频率和第一光频梳的重复频率f_r1或是第二光学频率梳的重复频率f_r2保持一致。

步骤二：从各条激光路径拍频信号中提取吸收谱信息并计算积分吸收率；

信号采集与处理模块前端完成信号的采集后，将分别通过参考光路、测量光路采样得到的信号进行傅里叶变换提取没有吸收信息的光谱和包含吸收信息的光谱，从而计算吸收率，结合光频梳光谱的梳齿间隔信息求得多个不同吸收谱线处的积分吸收率；进而结合层析成像算法，对待测区域进行网格划分，获得网格内的局部积分吸收率，通过多色法计算每个网格内的温度、气体分子浓度。

以探测器阵列上的单个光电二极管探测到的一个激光发射装置的发射的激光信号为例，分析其探测到的经过光学带通滤波器滤波后的各纵模间的干涉信号，从中提取吸收谱信息。其中，

第一光学频率梳包含的纵模序数为p的纵模的频率f_p可以表示为：

f_p＝pf_r1+f_ceo1 (2)

其中，f_ceo1为第一光学频率梳的载波偏移频率；

第二光学频率梳包含的纵模序数为q的纵模的频率f_q可以表示为：

f_q＝qf_r2+f_ceo2 (3)

其中，f_ceo2为第二光学频率梳的载波偏移频率；

每个光学频率梳的总光波电场是其不同纵模的光波电场叠加，经2×1光纤耦合器耦合和光学带通滤波器滤波后，位于光学带通滤波器通带范围内的光波电场可以表示为：

其中，E_p、f_p、

是第一光学频率梳中第p个纵模的电场强度、频率、初相位，E_q、f_q、

是第二光学频率梳中第q个纵模的电场强度、频率、初相位，t是时间，且所有满足光学带通滤波器通带范围的纵模序数p构成集合P，所有满足光学带通滤波器通带范围的纵模序数q构成集合Q；

经过激光路径上气体分子吸收后的包含吸收谱信息的干涉信号经过信号采集与处理模块前端集成的带宽小于f_r1/2的低通滤波器滤波后，信号可以表示为：

其中，α(f_p)和α(f_q)是气体分子在光频f_p和f_q处的吸收率；

同样地，不存在吸收的的参考光路干涉信号经过信号采集与处理模块前端集成的带宽小于f_r1/2的低通滤波器滤波后，信号可以表示为：

包含吸收谱信息的干涉信号和不包含吸收谱信息的干涉信号进行傅里叶变换分别得到其频谱的幅值谱信号I_m(f)、I_ref(f)，f为射频范围内的频率，小于f_r1/2，其离散化后频率间隔为f_rep，

其中，δ为冲激函数；

根据吸收率的定义，光频梳发出的激光经过待测气体后的吸收率R(f)可表示为：

此时得到的吸收率R(f)是随射频频率变化的，由于射频频率分量和光频频率分量的对应关系，吸收率R(f)可对应为随激光波数v[cm^-1]变化的吸收率α(v)，即所覆盖光谱范围内的吸收谱；

测得的吸收谱包含待测气体分子的若干吸收谱线，截取吸收谱中不同波段的吸收谱线，针对每个吸收谱线处的吸收峰，选用Voigt线型函数对其进行拟合，分别计算其吸收面积，可计算出一条激光路径上若干吸收谱线的积分吸收率。

步骤三：利用迭代重建算法计算温度和气体分子浓度的二维分布；

获得各条激光路径上所选的若干谱线的积分吸收率后，将传感器的有效成像区域进行网格划分，通过迭代重建算法计算局部积分吸收率的二维分布，获得多条吸收谱线的局部积分吸收率，进而计算温度温度分布和气体分子浓度分布。具体而言，激光发射装置的数量为7个，每个探测器阵列上的光电二极管数量为m个，扇形激光束可以照射到层析成像传感器的5条边，因此激光路径数量M＝35m，每次扫描每条吸收谱线可获得M个积分吸收率，之后结合迭代重建算法实现局部积分吸收率的二维分布重建，通过K(K≥2)条吸收谱线的局部积分吸收率计算温度分布和气体分子浓度分布。

第i条激光路径上第k(k＝1,2,…，K)条谱线处的积分吸收率，可以表示为

其中，P是总气压，L是激光吸收路径长度，X_abs是被测气体分子的摩尔分数，S_k(T)是被测气体分子所选的第k条吸收谱线的线强度；

将被测区域划分为N个网格，假设每个网格中的气体分子浓度、温度、压力等参数均匀，第j个网格内温度、气体分子浓度记作T_j、X_abs,j，则式(11)可以离散化并写作

其中

是第j个网格内第k条谱线的局部积分吸收率，l_i,j是第i条路径穿过第j个网格的吸收长度，将式(12)写作矩阵形式，

其中

其中[]^T表示矩阵的转置，灵敏度矩阵L的定义为

通过迭代重建算法求解式(13)得到气体分子的K条吸收谱线的局部积分吸收率

被测气体的特定吸收谱线的线强度S(T)是温度的单变量函数：

其中，h为普朗克常数，c为光速，k_B是玻尔兹曼常数，Q(T)是配分函数，v₀为吸收峰中心处的波数，T₀为参考温度，E″为吸收跃迁的低能级能量；

第j个网格内任意两条不同吸收谱线的局部积分吸收率之比R是温度的函数：

进一步推导可以得到：

得到各个不同吸收谱线处的局部积分吸收率

后，以低能级能量E″为横坐标，

为纵坐标，由多个点所确定的直线的斜率即可反映出路径的温度值，利用最小二乘方法拟合出的直线斜率为l_j，进一步可以得到第j个网格内的温度：

求得第j个网格内的温度之后，则可确定待测气体在该温度下的线强度S(T_j)，进一步利用式(12)即可解算出待测气体分子在第j个网格内的浓度X_abs,j；对所有网格执行上述步骤可得到温度分布和气体分子浓度分布。

(三)有益效果

针对待测区域内温度分布和气体分子浓度分布测量问题，本发明提出了一种基于双光梳光谱技术的温度浓度场测量系统和方法，测量系统基于双光梳光源，使用光开关实现不同激光投影角度间的切换，通过双光梳的干涉信号提取不同激光路径上的吸收谱信息，结合迭代重建算法获取多个吸收谱线的局部积分吸收率分布，进而得到待测区域内温度分布和气体分子浓度分布。本系统使用双光梳作为激光源，可利用其较宽的光谱范围实现对多种气体分子浓度的测量，利用其稳定的重复频率确定吸收谱的频率间隔免于频率标定，扩展激光诊断技术在燃烧场检测领域的应用。

附图说明

图1是基于双光梳光谱技术的温度浓度场测量系统的示意图，由以下部分组成：同步模块(100)、第一光学频率梳(101)、第二光学频率梳(102)、2×1光纤耦合器(103)、光学带通滤波器(104)、1×8光开关(105)、光电探测器(106)、信号采集与处理模块(107)、激光发射装置(201)、探测器阵列(202)。

具体实施方式

具体实施方式给出了发明内容中涉及到的参数的一个具体实例，以作进一步说明。

本实例以H₂O作为待测气体分子，利用近红外谱段7179-7186.6cm^-1范围内的吸收谱信息获取温度分布、H₂O浓度的分布，可以由以下三个步骤完成。

步骤一、利用基于双光梳光谱技术的温度浓度场测量系统获取干涉信号；

同步模块100生成时钟提供给第一光学频率梳101、第二光学频率梳102，其重复频率分别为f_r1＝50.000MHz、f_r2＝50.001MHz，重复频率差f_rep＝1kHz；第一光学频率梳101、第二光学频率梳102产生的超短光学脉冲通过2×1光纤耦合器103耦合；2×1光纤耦合器103的输出注入光学带通滤波器104(通带范围7179-7186.6cm^-1)滤波；光学带通滤波器104的输出接入1×8光开关105，同步模块100为1×8光开关105提供切换频率f_sw，f_sw＝1.25Hz，使得光开关的每个输出端口激光输出的时间均为100ms；光开关的输出端口1接到光电探测器106，输出端口2到8接到七边形传感器的7个激光发射装置201；每个探测器阵列202上有12个光电二极管，每个激光发射装置201发射的激光可以覆盖5个探测器阵列202，60个光电二极管，通过7个激光发射装置201的切换顺序发光；每次扫描时间800ms，可以得到420(M＝420)组包含吸收谱信息的干涉信号以及一组从光电探测器106获得的不包含吸收谱信息的参考干涉信号；光电探测器106和探测器阵列202的输出经过信号采集与处理模块107前端的低通滤波(带宽22MHz)后进行量化采集，采样时钟为第一光学频率梳101的重复频率，即50.000MHz。

步骤二、从干涉信号提取吸收谱信息，计算各激光路径上所选的吸收谱线的积分吸收率；

对步骤一获得的包含吸收谱信息的干涉信号和不包含吸收谱信息的参考干涉信号进行傅里叶变换，得到幅值谱信息I_m(f)、I_ref(f)，离散化后频率间隔为1kHz；由I_m(f)、I_ref(f)计算吸收率α(f)，由射频频率分量和光频频率分量的对应关系，吸收率α(f)可对应为随激光波数v变化的吸收率α(v)，即一定光谱范围内的吸收谱；选择位于7179-7186.6cm^-1范围内的4(K＝4)组特征吸收谱线7179.7524cm^-1+7179.7533cm^-1，7181.156cm^-1，7182.9496cm^-1+7183.0158cm^-1，7185.5966cm^-1+7185.5973cm^-1计算得到四组积分吸收率A₁＝[A_1,1,A_2,1,…,A_420,1]^T，A₂＝[A_1,2,A_2,2,…,A_420,2]^T，A₃＝[A_1,3,A_2,3,…,A_420,3]^T，A₄＝[A_1,4,A_2,4,…,A_420,4]^T。

步骤三、依据灵敏度矩阵计算局部积分吸收率分布，进而计算温度、气体分子浓度的二维分布；

将待测区域七边形传感器的内切圆划分为628(N＝628)正方形网格，计算灵敏度矩阵L，依据迭代重建算法获得4组特征吸收谱线的局部积分吸收率分布

对于每个网格4组不同吸收谱线数据，以低能级能量E″为横坐标，ln(A/S(T₀))为纵坐标，由4个点所确定的直线的斜率即可反映出路径的温度值，利用最小二乘方法拟合出的直线斜率，进一步可以得到网格内的温度和水蒸气的分子浓度；最终得到温度分布和水蒸气的浓度分布。

以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实例，均属本发明保护范围。

Claims (4)

1.一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法，系统包括同步模块、第一光学频率梳、第二光学频率梳、2×1光纤耦合器、光学带通滤波器、1×8光开关、光电探测器、信号采集与处理模块、激光发射装置、探测器阵列；其中，同步模块为第一光学频率梳、第二光学频率梳、1×8光开关、信号采集与处理模块提供工作时钟；重复频率差固定的第一光学频率梳、第二光学频率梳产生的超短飞秒光学脉冲经2×1光纤耦合器耦合，经过光学带通滤波器滤波接入1×8光开关通过开关切换产生8个输出，分别接到一个光电探测器和七边形传感器的七个激光发射装置，激光发射装置将光纤内的激光展成扇形激光照射到探测器阵列，光电探测器和探测器阵列上产生的双光梳干涉信号被信号采集与处理模块采集后进行处理分析，从中提取吸收谱信息，计算不同吸收谱线处的积分吸收率，结合迭代重建算法得到待测区域内的局部积分吸收率二维分布，进而计算得到温度和浓度二维分布。

2.基于权利要求1所述的一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法，其特征在于同步模块的时钟分发以及通过光开关切换的方式使得两个光学频率梳激光器在光电探测器和七边形传感器的探测器阵列上产生干涉信号，并被信号采集与处理模块低通滤波后采集：

内部包含高稳定时钟信号源的同步模块为第一光学频率梳、第二光学频率梳、1×8光开关、信号采集与处理模块提供工作时钟；将第一光学频率梳、第二光学频率梳锁定到该高稳定时钟信号源，其重复频率分别为f_r1、f_r2(f_r1<f_r2)，重频差f_rep＝f_r2-f_r1；光开关的切换频率f_sw锁定到该高稳定时钟信号源，重复频率差f_rep是切换频率f_sw的8n倍，n为正整数；信号采集与处理模块的采样时钟采用外部输入时钟，为第一光学频率梳的重复频率f_r1或是第二光学频率梳的重复频率f_r2；

第一光学频率梳、第二光学频率梳产生的覆盖一定光谱范围的超短飞秒光学脉冲通过2×1光纤耦合器耦合后，通过光学带通滤波器选择激光的光谱范围，该光学带通滤波器的光谱范围依据待测区域内的气体组分进行选择，光学带通滤波器的带宽BW满足式(1)，使得两个光学频率梳的多外差干涉产生的干涉信号间不发生频谱混叠：

光学带通滤波器的输出接入1×8光开关的输入，1×8光开关通过开关切换和分时策略将输入激光通过光开关的8个输出端口分时输出；1×8光开关的切换频率固定为f_sw，完成一轮切换的时间为1/f_sw，且每个输出端口激光输出的时间保持一致为1/(8f_sw)；1×8光开关的一个输出直接耦合到光电探测器，用于检测未经过吸收的两个超短光学脉冲的干涉信号，作为参考信号；其余七个输出分别接到七边形传感器的激光发射装置，激光发射装置将光纤内的激光展成扇形激光，该扇形激光覆盖七边形传感器的五条边上的探测器阵列，不包括激光发射装置所在顶点的两条临边在内；每条边上探测器阵列上集成的m个光电二极管，用于检测经过待测区域吸收后的两个超短光学脉冲的干涉信号，作为测量信号；每次扫描通过光开关控制七个激光发射装置使用分时扫描的方式依序发射扇形激光束，从每个角度发射的扇形激光束可以覆盖七边形传感器的五条边，每次扫描完成后可得到35m条激光路径上的测量信号；

产生的参考信号和测量信号经信号采集与处理模块前端集成的低通滤波器(低通滤波器的带宽小于f_r1/2)滤除高频激光脉冲信号以及频率不小于f_r1/2的干涉信号高频分量，避免发生频谱混叠；信号采集的时钟频率和第一光频梳的重复频率f_r1或是第二光学频率梳的重复频率f_r2保持一致。

3.基于权利要求1所述的一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法，其特征在于从光电探测器和探测器阵列获得的光频梳多外差干涉信号中提取吸收谱，计算得到积分吸收率：

每个光学频率梳的总光波电场是其不同纵模的光波电场叠加，经2×1光纤耦合器耦合和光学带通滤波器滤波后，位于光学带通滤波器通带范围内的光波电场可以表示为：

其中，E_p、f_p、

是第一光学频率梳中第p个纵模的电场强度、频率、初相位，E_q、f_q、

是第二光学频率梳中第q个纵模的电场强度、频率、初相位，t是时间，且所有满足光学带通滤波器通带范围的纵模序数p构成集合P，所有满足光学带通滤波器通带范围的纵模序数q构成集合Q；

经过激光路径上气体分子吸收后的包含吸收谱信息的干涉信号经过信号采集与处理模块前端集成的带宽小于f_r1/2的低通滤波器滤波后，信号可以表示为：

其中，α(f_p)和α(f_q)是气体分子在光频f_p和f_q处的吸收率；

同样地，不存在吸收的的参考光路干涉信号经过信号采集与处理模块前端集成的带宽小于f_r1/2的低通滤波器滤波后，信号可以表示为：

包含吸收谱信息的干涉信号和不包含吸收谱信息的干涉信号进行傅里叶变换分别得到其频谱的幅值谱信号I_m(f)、I_ref(f)，f为射频范围内的频率，小于f_r1/2，其离散化后频率间隔为f_rep，

其中，δ为冲激函数；

根据吸收率的定义，光频梳发出的激光经过待测气体后的吸收率R(f)可表示为：

此时得到的吸收率R(f)是随射频频率变化的，由于射频频率分量和光频频率分量的对应关系，吸收率R(f)可对应为随激光波数v[cm^-1]变化的吸收率α(v)，即所覆盖光谱范围内的吸收谱；

测得的吸收谱包含待测气体分子的若干吸收谱线，截取吸收谱中不同波段的吸收谱线，针对每个吸收谱线处的吸收峰，选用Voigt线型函数对其进行拟合，分别计算其吸收面积，可计算出一条激光路径上若干吸收谱线的积分吸收率。

4.基于权利要求1所述的一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法，其特征在于利用迭代重建算法从不同激光路径获得的积分吸收率中计算待测区域的局部积分吸收率，进而计算得到温度分布和浓度分布，具体包括以下两个步骤：

步骤一：利用迭代重建算法计算待测区域的局部积分吸收率；

获得各条激光路径上所选的若干谱线的积分吸收率后，将传感器的有效成像区域进行网格划分，通过迭代重建算法计算局部积分吸收率的二维分布，获得多条吸收谱线的局部积分吸收率，进而计算温度分布和气体分子浓度分布；具体而言，激光发射装置的数量为7个，每条边的探测器阵列上的光电二极管数量为m个，扇形激光束可以照射到层析成像传感器的5条边，因此激光路径数量M＝35m，每次扫描每条吸收谱线可获得M个积分吸收率，之后结合迭代重建算法实现局部积分吸收率的二维分布重建，通过K(K≥2)条吸收谱线的局部积分吸收率计算温度分布和气体分子浓度分布；

第i条激光路径上第k(k＝1,2,…，K)条谱线处的积分吸收率，可以表示为

其中，P是总气压，L是激光吸收路径长度，X_abs是被测气体分子的摩尔分数，S_k(T)是被测气体分子所选的第k条吸收谱线的线强度；

将被测区域划分为N个网格，假设每个网格中的气体分子浓度、温度、压力等参数均匀，第j个网格内温度、气体分子浓度记作T_j、X_abs,j，则式(9)可以离散化并写作

其中

是第j个网格内第k条谱线的局部积分吸收率，l_i,j是第i条路径穿过第j个网格的吸收长度，将式(10)写作矩阵形式，

其中

其中[]^T表示矩阵的转置，灵敏度矩阵L的定义为

通过迭代重建算法求解式(11)得到气体分子的K条吸收谱线的局部积分吸收率

步骤二：通过K条吸收谱线的局部积分吸收率计算温度分布和浓度分布；

被测气体的特定吸收谱线的线强度S(T)是温度的单变量函数：

其中，h为普朗克常数，c为光速，k_B是玻尔兹曼常数，Q(T)是配分函数，v₀为吸收峰中心处的波数，T₀为参考温度，E″为吸收跃迁的低能级能量；

第j个网格内任意两条不同吸收谱线的局部积分吸收率之比R是温度的函数：

进一步推导可以得到：

得到各个不同吸收谱线处的局部积分吸收率

后，以低能级能量E″为横坐标，

为纵坐标，由多个点所确定的直线的斜率即可反映出路径的温度值，利用最小二乘方法拟合出的直线斜率为l_j，进一步可以得到第j个网格内的温度：

求得第j个网格内的温度之后，则可确定待测气体在该温度下的线强度S(T_j)，进一步利用式(10)即可解算出待测气体分子在第j个网格内的浓度X_abs,j；对所有网格执行上述步骤可得到温度分布和浓度分布。

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