CN111504911A - 一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统及方法，该系统包括：激光输入模块：激光器产生的激光经过光纤隔离器后进入耦合器，将一束激光作为稳频器的输入光进入标准气体吸收气室；光强调制模块：将激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰中心频率的偏移量转化为光强调制信号后，通过光电探测器接收；反馈调节模块：通过鉴相器对检测信号与调制信号进行相位鉴别，将鉴相器的输出信号作为误差信号以调节激光器输出激光的中心频率。基于该方案可以无需低频扫描，有效避免波形畸变，抑制低频强度调制引起的不规则背景噪声，并提高低浓度气体检测的检测极限。

Description

一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统及方法
技术领域
本发明涉及光声光谱技术领域，尤其涉及一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统及方法。
背景技术
目前，激光光声光谱气体检测系统的DFB激光器工作在波长调制方式，即其工作电流叠加高频正弦波，检测二次谐波光声信号可以获得很高的灵敏度。由于激光器受内部性质和外部环境影响存在波长漂移，而气体吸收带宽非常窄，需要对DFB激光器进行低频调制，即在其工作电流上叠加一个低频三角波，以保证波长扫描范围覆盖气体吸收谱线。然而，这种方法容易受到激光器强度调制而产生波形崎变和不规则背景噪声的影响，且低频扫描会限制气体检测带宽。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统及方法，以解决现有对激光器进行低频调制的气体检测方法易受激光器强度调制产生波形畸变和不规则背景噪声影响，且气体检测带宽带宽受限的问题。
在本发明实施例的第一方面，提供了一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统，包括：
激光输入模块：激光器产生的激光经过光纤隔离器后进入耦合器分为两束光，一束作为稳频系统的输出光，另一束作为稳频器的输入光进入标准气体吸收气室；
光强调制模块：将激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰中心频率的偏移量转化为光强调制信号后，通过光电探测器接收所述光强调制信号；
反馈调节模块：通过鉴相器对检测信号与调制信号进行相位鉴别，将鉴相器的输出信号作为误差信号反馈至直流电源以改变激光器输出激光的中心频率。
在本发明实施例的第二方面，提供了一种基于稳频激光光声光谱的气体检测方法，包括：
激光器产生的激光经过光纤隔离器后进入耦合器分为两束光，一束作为稳频系统的输出光，另一束作为稳频器的输入光进入标准气体吸收气室；
将激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰中心频率的偏移量转化为光强调制信号后，通过光电探测器接收所述光强调制信号；
通过鉴相器对检测信号与调制信号进行相位鉴别，将鉴相器的输出信号作为误差信号反馈至直流电源以改变激光器输出激光的中心频率。
本发明实施例中，通过将气体吸收稳频技术引入激光光声光谱气体检测中，将DFB激光器的波长精确的锁定在检测气体的吸收谱线上，不需要低频扫描，可以缩小锁相放大器的输出带宽，提高检测信噪比，同时有效抑制了低频强度调制引起的不规则背景噪声，提高了系统的低浓度检测极限。进而解决了现有采用DFB激光器进行低频调制的气体检测方法易受激光器强度调制产生波形畸变和不规则背景噪声影响，且气体检测带宽带宽受限的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获取其他附图。
图1为本发明的一个实施例提供的一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统的结构示意图；
图2为本发明的一个实施例提供的基于稳频激光光声光谱的气体检测系统的另一结构示意图；
图3为本发明的一个实施例提供的一种基于稳频激光光声光谱的气体检测方法的流程示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统的结构示意图，包括：
激光输入模块110：激光器产生的激光经过光纤隔离器后进入耦合器分为两束光，一束作为稳频系统的输出光，另一束作为稳频器的输入光进入标准气体吸收气室；
激光器产生的激光通过耦合器实现光信号分路，将一束光作为稳频器的输入。所述稳频器为根据输入激光对激光器频率进行主动调节的装置，一般由多个器件组成，在本实施例中包括如气室、光电探测器、鉴相器等。由于激光的频率或波长会随时间变化表现为短期抖动和长期漂移，通过激光稳频技术可以使激光频率自动调节至特定的标准频率，从而保障气体的吸收带宽可以锁定在吸收谱线。
光强调制模块120：将激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰中心频率的偏移量转化为光强调制信号后，通过光电探测器接收所述光强调制信号；
所述中心频率一般指信号频率的几何平均值，通常为带通滤波器的两个3dB点间的中点。基于激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰的中心频率的比较，确定频率偏移量。
由激光原理可知，当入射激光的振荡频率与吸收线的频率相等时，激光的输出光强将按2f频率变化；由于外界的干扰，激光的输出频率偏离了吸收线时，激光的输出光强将按f频率变化。此时，若激光振荡频率大于吸收线中心频率，则光强与调制信号同相位；若激光振荡频率小于吸收线中心频率，则光强与调制信号反相位。
所述光电探测器可将光信号转化为电信号，通过检测光强变化实现对待测的光强调制信号的测量。
反馈调节模块130：通过鉴相器对检测信号与调制信号进行相位鉴别，将鉴相器的输出信号作为误差信号反馈至直流电源以改变激光器输出激光的中心频率。
所述检测信号为光电探测器检测获取的光强调制信号，所述调制信号为激光器的调制信号。所述鉴相器用于鉴别输入信号相位差的器件，通过鉴相器鉴别光强探测器中获取的调制信号与激光器中调制信号的相位差，将相位差作为误差信号，并根据误差信号通过直流电源对激光器进行调节，以改变激光器的输出激光的中心频率，从而实现动态稳频。
通常气体吸收线与激光增益曲线的中心频率不重合，吸收峰将叠加在倾斜的功率曲线背景上，会使吸收峰的顶点偏离吸收线中心频率导致复现性变差。优选的，所述反馈调节模块130的调制单元中，在饱和吸收稳频中采用三次谐波锁定技术来消除中心频率不重合的影响，三次谐波锁定技术用基频调制激光频率，使相敏检波在3倍频下工作，通过闭环控制得到了频率稳定的激光器。
在图1的基础上，本发明另一实施例中，如图2所示提供了系统的另一结构示意图，包括激光器、正弦信号发生器、温控设备、光纤、隔离器、耦合器、气室、光电探测器、滤波器、鉴相器和直流电源等。
激光器210的输出经过光纤隔离器，防止光纤端面的反射光进入激光器210。从隔离器输出的光进入藕合器220后分成两束光，一束作为稳频系统输出光，另一束作为稳频器输入光进入标准气体吸收气室。激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰中心频率的偏移量被转化为光强调制信号，由光电探测器230接收。
经光电检测之后，由3f1滤波器滤波处理，并通过鉴相器240对检测信号与调制信号进行相位鉴别，其输出信号作为误差信号，将误差信号反馈到直流电源，由直流电源对激光器210进行调节，从而改变激光器输出激光的中心频率，使其重新回到标准气体分子的饱和吸收线上，达到稳频的目的。
通过气体吸收稳频控制的激光器可以保证其输出激光锁定在标准气体的吸收谱线上，从而无需使用低频三角波扫描波长。光声池输出的光声信号直接锁定在2f的二次谐波处，锁相放大器可以设置极窄的输出带宽，获得很高的检测信噪比，进而提高检测系统的低浓度检测极限，同时，激光器的波长稳定在标准气体吸收谱线上，可以获得很高的长期稳定性。
本实施例中，结合气体吸收稳频技术，可以将DFB激光器的波长精确锁定在气体吸收谱线，无需低频扫描，提高检测信噪比，并有效抑制因低频强度调制引起的不规则噪声，从而解决了对DFB激光器进行低频调制的气体检测方法易受激光器强度调制产生波形畸变和不规则背景噪声影响，且气体检测带宽带宽受限的问题。
图3为本发明实施例提供的一种基于稳频激光光声光谱的气体检测方法的流程示意图，该方法包括：
S301、激光器产生的激光经过光纤隔离器后进入耦合器分为两束光，一束作为稳频系统的输出光，另一束作为稳频器的输入光进入标准气体吸收气室；
S302、将激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰中心频率的偏移量转化为光强调制信号后，通过光电探测器接收所述光强调制信号；
根据激光原理，当入射激光的振荡频率与吸收线的频率相等时，激光的输出光强将按2f频率变化；由于外界的干扰，激光的输出频率偏离了吸收线时，激光的输出光强将按f频率变化。优选的，若入射激光的振荡频率大于吸收线中心频率，则光强与调制信号同相位；若入射激光的振荡频率小于吸收线中心频率，则光强与调制信号反相位。
S303、通过鉴相器对检测信号与调制信号进行相位鉴别，将鉴相器的输出信号作为误差信号反馈至直流电源以改变激光器输出激光的中心频率。
优选的，采用三次谐波锁定技术调制激光频率，使相敏检波在三倍频下工作，以闭环控制得到频率稳定的激光器。
基于本发明实施例提供的方法，无需使用低频扫描，可以避免波形畸变，有效抑制低频强度调制引起的不规则背景噪声，并提高低浓度气体检测的检测极限。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统，其特征在于，包括：
激光输入模块：激光器产生的激光经过光纤隔离器后进入耦合器分为两束光，一束作为稳频系统的输出光，另一束作为稳频器的输入光进入标准气体吸收气室；
光强调制模块：将激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰中心频率的偏移量转化为光强调制信号后，通过光电探测器接收所述光强调制信号；
反馈调节模块：通过鉴相器对检测信号与调制信号进行相位鉴别，将鉴相器的输出信号作为误差信号反馈至直流电源以改变激光器输出激光的中心频率。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述将激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰中心频率的偏移量转化为光强调制信号包括：
若入射激光的振荡频率大于吸收线中心频率，则光强与调制信号同相位；
若入射激光的振荡频率小于吸收线中心频率，则光强与调制信号反相位。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反馈调节模块还包括：
调制单元，用于采用三次谐波锁定技术调制激光频率，使相敏检波在三倍频下工作，以闭环控制得到频率稳定的激光器。
4.一种基于稳频激光光声光谱的气体检测方法，其特征在于，包括：
激光器产生的激光经过光纤隔离器后进入耦合器分为两束光，一束作为稳频系统的输出光，另一束作为稳频器的输入光进入标准气体吸收气室；
将激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰中心频率的偏移量转化为光强调制信号后，通过光电探测器接收所述光强调制信号；
通过鉴相器对检测信号与调制信号进行相位鉴别，将鉴相器的输出信号作为误差信号反馈至直流电源以改变激光器输出激光的中心频率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰中心频率的偏移量转化为光强调制信号包括：
若入射激光的振荡频率大于吸收线中心频率，则光强与调制信号同相位；
若入射激光的振荡频率小于吸收线中心频率，则光强与调制信号反相位。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述通过鉴相器对检测信号与调制信号进行相位鉴别，将鉴相器的输出信号作为误差信号反馈至直流电源以改变激光器输出激光的中心频率还包括：
采用三次谐波锁定技术调制激光频率，使相敏检波在三倍频下工作，以闭环控制得到频率稳定的激光器。
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