CN111551520B - 一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法及装置，包括由两台重复频率略有差异的光频梳构成的主动宽带激光光源，吸收路径级联分段调节模块，信号接收采集模块和复用干涉信号提取与分析处理模块等。级联吸收路径中各段的吸收光谱和路径长度均可通过对复用干涉信号的分析得到，进而可获得各路径段的气体种类及其浓度信息。此发明在一组光源、单像元探测器条件下，具备对多路径段进行长度探测、宽带高分辨率光谱探测能力，可快速实现多种气体的分布式定量探测，显著提升了激光光谱探测效能。
Description
技术领域
本发明属于气体传感技术领域，特别涉及一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法及装置。
背景技术
在气体传感领域中，常常需要对开放光程中的气体浓度进行遥测。环境检测、公共安全、工业过程控制中对温室气体、有毒有害气体、易燃易爆气体等的监测都对气体浓度遥感有着重要需求。
光学光谱方法以其无接触无附加反应等优点被广泛用于气体遥感，例如可调谐激光器光谱(TDLAS)，差分光学光谱(DOAS)，傅里叶变换光谱(FTS)和双光梳光谱(DCS)。其中，双光梳方法利用两台光频梳之间的异步光学采样产生多外差干涉信号，对干涉信号进行频域处理可以实现气体吸收光谱的测量。其巨大潜力引发了光谱测量领域内的研究热潮。几十甚至上百太赫兹的广阔光谱覆盖范围支持多种类气体同时检测。利用重频扫描的方法其可以在双光子吸收光谱中实现突破多普勒限制的高光谱分辨率。最重要的是其拥有高检测速度并且无需任何机械移动部件。毫秒量级的数据更新速率使得单次测量免受大气湍流的影响，这种优异的湍流免疫性适合应对快速环境变化带来的挑战，已使其在城市污染物排放估算和天然气生产现场监测等长距离开放光程气体遥感中得以应用。
尽管将双光梳方法用于气体遥感的可行性已在多种场景中得到验证，但是当前的研究局限于长目标路径上平均气体浓度的检测。在实际应用中，网格化分析和动态监控如石油天然气生产现场实时监测众多潜在泄漏源是否泄露等，需要对目标路径不同位置的气体浓度变化有准确的了解，这需要执行更准确更有效的带有位置信息的气体浓度测量。根据朗伯-比尔定律，上述需求需要同时确定吸收路径长度。双光梳方法恰巧也已在距离测量领域中得以应用。通过使用时间飞行法或进一步结合干涉相位解调技术其可以实现亚微米或几纳米的测距精度。通过非模糊距离(NAR)扩展，其还可以实现长达千米的远程测距。双光梳方法在距离测量方面的优异性能，足以支持有效的浓度检索。但现有技术从未将其在测距领域的能力融合到光谱应用中。而且依靠传统气体遥测方法，获取多点浓度信息需要多套设备同时测量。如何方便有效地进行开放光程长目标路径中分布式气体定量分析，还是亟待解决的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法及装置，以在单组光源单像元探测器的条件下，完成目标路径各级联段内气体种类及浓度的测量，可快速实现多种气体的分布式定量探测，显著提升激光光谱的探测效能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法，包括：
采用重复频率略有差异的两台光学频率梳作为宽带主动探测光源，其中一台作为信号光，一台作为参考光；
采用一组吸收路径级联分段调节模块对探测路径进行路段划分，所述分段调节通过对信号光光束的口径或波段进行滤取实现；
采用单像元探测器对多路段返回的信号进行探测，所述单像元探测器采用外触发模式，触发信号频率与其中一台光学频率梳的重复频率一致，所述多路段返回的信号有不同的时间延迟，依次和参考光合束，入射至单像元探测器，在单个采样周期内产生时间复用的多个多外差干涉信号；
采用时间窗对复用的多个多外差干涉信号进行拆分提取，通过时域信号包络零点解算各吸收路径长度，通过傅里叶变换光谱复原法解算对应光谱信息，并结合两者获得各路径段气体种类及其浓度信息。
具体地，在时域中利用时间飞行法，从复用信号包络零点解算信号光所经不同路径的路径长度，即得各吸收路径长度；在频域中对复用信号进行傅里叶变换、滤波及频率映射，解算信号光所经不同路径的吸收光谱，即得对应光谱信息。结合所获得的吸收路径长度和对应光谱信息进行最小二乘拟合，反演出各路径段气体种类及其浓度，实现气体的分布式定量探测。
本发明具体可采用两台重复频率差在几十至几千赫兹可调的光学频率梳作为宽带主动探测光源。
本发明还提供了一种实现所述级联吸收路径气体浓度复用探测的方法的探测装置，包括：
第一光学频率梳1-1，输出光作为信号光，
第二光学频率梳1-2，与第一光学频率梳1-1的重复频率略有差异，其输出光作为参考光；
第一反射式光纤准直器6-1，通过第二单模光纤5-2连接第一光学频率梳1-1，将信号光准直成空间光一；
第二反射式光纤准直器6-2，通过第三单模光纤5-3连接第二光学频率梳1-2，将参考光准直成空间光二；
立方体分束器7，设置于空间光一和空间光二的路径上；
离轴抛物面反射镜，设置于空间光一透射立方体分束器7之后的路径上，将透射光调节扩束准直后作为信号光输出；
吸收路径级联分段调节模块9，设置于探测路径上，通过多段吸收实现路段划分，并将信号光返回，返回的信号光在立方体分束器7反射，与空间光二经立方体分束器7的透射光合束；
光电探测器10，接收合束后的光；
采集模块11，接光电探测器10将接收的合束光转换为数字信号；
分析处理模块12，按解算方法得到各路径吸收光谱和路径长度。
进一步地，本发明还包括氦氖激光器2，氦氖激光器2的输出光路上设置光纤耦合器4，光纤耦合器4通过第一单模光纤5-1连接第一反射式光纤准直器6-1，第一反射式光纤准直器6-1将氦氖激光器2的输出光准直入空间光一，该部分的目是引入与第一光学频率梳1-1同光路的可见光，用于测量路径光路的预对准和预调节。
进一步地，所述离轴抛物面反射镜包括反射面相对称的第一离轴抛物面反射镜8-1和第二离轴抛物面反射镜8-2，所述合束后的光的路径上设置第三离轴抛物面反射镜8-3，合束后的光经第三离轴抛物面反射镜8-3聚焦后由光电探测器10接收，所述第一反射式光纤准直器6-1、第一离轴抛物面反射镜8-1、第二离轴抛物面反射镜8-2和第三离轴抛物面反射镜8-3均为反射式器件，以保证用于预对准的可见光和实际信号光焦点相同，且光学频率梳输出的宽带光的焦点也相同，不受色散影响。
进一步地，所述吸收路径级联分段调节模块9包括依次位于探测路径上的多组调节模块元件和一个反射镜9-4，分段调节通过分口径或分波段方式实现：
分口径实现时，调节模块元件为信号光束口径内反射面积比例逐渐增大的一组反射镜，反射镜9-4将剩余未被反射的信号光反射回，且各反射镜(含反射镜9-4)反射面积比例配置满足各路段反射光能量比接近1；
分波段实现时，调节模块元件为分色滤光片，将特定波段的光反射，其余波段的光透射，反射镜9-4将剩余未被反射的信号光反射回，各分色滤光片截止波长配置满足依次滤出波段中均包含目标气体较强的吸收线，且各路段反射光(含反射镜9-4的反射光)能量比接近1。
进一步地，所述调节模块元件前后位置在测量非模糊区间内预先微调，实现复用信号沿时间轴的均匀分布，以达到测量光谱分辨率的最佳分配。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)使用吸收路径级联分段调节模块，通过对信号光光束口径或波段进行滤取实现目标路径分段化，将吸收路径区分为级联路段。
2)充分结合光学频率梳在光谱学和测距领域内的测量潜力，可同时获得多路径的吸收光谱和路径长度，进而反演出各级联路径段内气体种类及浓度，实现气体的分布式定量探测。
3)利用干涉信号的时间复用性，使用单组光源单像元探测器方便有效地实现高探测速率、宽光谱覆盖的分布式气体遥感，显著提升激光光谱的探测效能。
附图说明
图1是本发明测量方法的原理示意图。
图2是本发明测量装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法，图1从原理上展示了此方法的实现过程：两台光学频率梳作为宽带主动探测光源，其中一台作为信号光，一台作为参考光。两台光频梳之间具有微小的重频差(几十至几千赫兹可调)。信号光扩束后经过包含吸收路径级联分段调节模块的目标路径。该吸收路径级联分段调节模块通过对信号光的光束口径或波段进行滤取实现目标路径分段化，将目标路径区分为级联路径段(参考路径,路径段1,路径段2...)。各路径段的长度可由模块元件在路径中的位置进行调节。滤取的各部分信号光在经过不同长度的目标路径后被依次返回。返回光和参考光合束，入射至单像元探测器。多路段返回信号有相对于采样周期不同的时间延迟，如延迟1，延迟2…，以在时间轴上将各个干涉信号交错分开。因此可以复用单个采样周期采集多个干涉信号，如参考信号,信号1,信号2…。双光梳方法的有效光谱分辨率可达百兆赫兹(约千分之一个波数)，可以胜任对吉赫兹线宽的痕量气体吸收的探测。卓越的分辨率优势支持对其采样周期进行拓展复用。各部分信号光经过的每个路径由不同数量的路径段组成，包含不同的气体吸收信息。每个路径的吸收光谱和路径长度可用于后续各路径段内气体浓度的反演，以实现对多种气体的分布式定量探测。
下面对本级联吸收路径气体浓度复用探测方法的实际操作步骤做进一步描述。
步骤1：从复用的干涉信号中解算各路径的路径长度。
在时域中使用时间飞行法来计算各路径的路径长度。从干涉信号包络零点之间的时间间隔，即信号间的时间延迟，解算路径长度(Ltot)。由于通过时间飞行法测得的路径长度的不确定度已经充分满足气体浓度反演的应用需求，所以无需使用更高分辨率的相位检索方法。双光梳时间飞行法进行路径长度测量遵循以下关系：
Ltot＝m×ΛNAR+L 3)
其中，τd是信号间的时间延迟，ΔD是干涉信号包络零点之间的数据间隔，fsamp是采样频率，frep是光频梳的重复频率，Δfr是两台光频梳重复频率的差，ΛNAR是非模糊范围，m是一正整数。采用时间窗对复用信号进行拆分提取，通过希尔伯特变换获得各信号包络，然后对包络进行插值，可得到相邻信号之间ΔD的更准确结果。νg是空气中的光速，可以使用普通大气条件下的空气折射率来计算。公式2)中求得的长度L是在非模糊范围NAR内的(ΛNAR＝νg/frep)，可以被视为真正路径长度Ltot的分数部分。可以根据全球定位系统(GPS)测得的距离数据确定公式3)中的m，最终确定Ltot。最后，相邻路径之间的长度差即为每个路径段的长度Lseg n。对分口径实现方法，由于希望复用的干涉信号均匀分布以合理利用采样周期，需要调节上述模块元件反射镜的相对位置来调整路径段长度。每个路径段的长度需几乎相等或者相差整数倍个NAR；对分波段实现方法，只要各干涉信号包络零点可以分辨，对路径段长度没有苛刻要求。
步骤2：从复用的干涉信号中解算各路径的吸收光谱。
在频域中使用傅里叶变换光谱复原法来获取各路径的光谱信息。
对分口径实现方法，需采用时间窗对复用的全长干涉信号进行拆分提取，独立提取出由不同路径返回的信号光与参考光合束产生的干涉信号。在时域中对每组干涉信号进行相干叠加。对叠加后的平均干涉信号进行傅里叶变换并进行射频到光频的频率映射，获得信号光所经路径上气体的吸收光谱。对分波段实现方法，可直接对一个采样周期内的全长干涉信号进行相干叠加。之后对叠加后的干涉信号进行傅里叶变换，并根据模块元件滤光片的分光波段对总体光谱分别执行滤波操作，最后进行频率映射，获得各路径的吸收光谱。
获得吸收光谱后，可通过基线拟合获得各路径光谱透过率。
步骤3：结合所获得的路径长度和吸收光谱反演出各路径段内气体浓度。
使用最小二乘法将带有Voigt线型参数的光谱透过率模型拟合到气体吸收线获得气体浓度，其中气体吸收长度使用上述测得的路径长度。从朗伯-比尔定律导出的公式(4)揭示了对于某种气体而言，整个路径长度内的气体浓度αtot与每个路段内的气体浓度αseg n之间的关系。
使用上述拟合方法，可以对得到的对应于不同路径的吸收光谱分别进行拟合，反演出各个路径中的气体浓度，αref,αtot1,αtot2……。然后根据公式4)用得到的浓度和路径长度来逐步计算每个路段中的气体浓度，αseg1,αseg2。。。。在此反演过程中，可以获取所有路段中的气体浓度，以实现沿整个目标路径的分布式定量气体探测。
对分口径实现方法，各个路径吸收光谱中用于拟合的是相同共振频率的吸收线；此方法适用于绝大多数等距分段探测的普通应用场景，探测气体种类满足在光源输出范围内某一频率处有明显吸收即可。对分波段实现方法，各个光谱中用于拟合的是处于不同波段范围的不同共振频率的吸收线。此方法适用于路段长度相对自由，探测气体种类在光源输出范围内的多个频率区域都有明显吸收，对光谱分辨率有更高需求的特殊应用场景。
本发明还提供了实现该测量方法的装置，如图2所示，包括：第一光学频率梳1-1，第二光学频率梳1-2，氦氖激光器2，反射镜3，光纤耦合器4，第一至第三单模光纤5-1至5-3，第一反射式光纤准直器6-1，第二反射式光纤准直器6-2，立方体分束器7，第一至第三离轴抛物面反射镜8-1至8-3，吸收路段级联分段调节模块9，光电探测器10，采集模块11，分析处理模块12。
具体地，第一光学频率梳1-1的输出光(信号光)通过第二单模光纤5-2进入第一反射式光纤准直器6-1。光被准直成空间光输出，透过立方体分束器7后入射至第一离轴抛物面反射镜8-1和第二离轴抛物面反射镜8-2，调节扩束准直后作为信号光输出。信号光经包含吸收路径级联分段调节模块9的多段吸收路径后返回第二离轴抛物面反射镜8-2，第一离轴抛物面反射镜8-1，并在立方体分束器7反射后与第二光学频率梳1-2的光合束。
第二光学频率梳1-2的输出光(参考光)通过第三单模光纤5-3进入第二反射式光纤准直器6-2。光被准直成空间光输出，透过立方体分束器7后与第一光学频率梳1-1的光合束。
本实施例中所采用的第一光学频率梳1-1及第二光学频率梳1-2，其中心波长为1560nm，光谱覆盖范围超过10THz。其重复频率frep几乎相同，约为250MHz。两台光梳之间的重复频率差Δfr可调，可选择为290Hz，以使光频梳整个输出光谱范围所产生的干涉信号不会发生混叠，后续无需使用任何滤光片，可实现全光谱宽带探测。
吸收路径级联分段调节模块，通过分口径或分波段方式实现路径段划分。分口径实现时，所示探测光路历经的调节模块元件9-1,9-2,9-3为信号光束口径内反射面积比例逐渐增大的一组反射镜，元件9-4为反射镜，将剩余未被反射的信号光反射回，且各反射镜反射面积比例配置满足各路段反射光能量比接近1。分波段实现时，所示探测光路历经的调节模块元件9-1,9-2,9-3为分色滤光片，将特定波段的光反射，其余波段的光透射，元件9-4为反射镜，将剩余未被反射的信号光反射回，各滤光片截止波长配置满足依次滤出波段中均包含目标气体较强的吸收线，且各路段反射光能量比接近1。且模块元件的前后位置需在测量非模糊区间内预先微调，实现复用信号沿时间轴的均匀分布，以达到测量光谱分辨率的最佳分配。
本实施例以分口径方式为例，所采用的分口径调节模块元件为角锥反射镜9-1,9-2,9-3。三个角锥反射镜被放置在标准相机三脚架上用于返回光束，将目标路径分为三个路径段。反射光束面积比例依次为1/3,1/2,1。
第一反射式光纤准直器6-1、第一离轴抛物面反射镜8-1和第二离轴抛物面反射镜8-2组成发射接收一体的望远系统，第三离轴抛物面反射镜8-3用于聚焦激光，上述均为反射式器件，以保证用于预对准的可见光和实际信号光焦点相同，且光学频率梳输出的宽带光的焦点也相同，不受色散影响。
第三离轴抛物面反射镜8-3聚焦合束后的光，然后由光电探测器10接收，并经采集模块11转换为数字信号，由分析处理模块12按解算方法得到各路径吸收光谱和路径长度。
本实施例中所采用的光电探测器10使用外触发模式，触发信号频率与其中一台光学频率梳的重频一致。采集模块11中所采用的模数转换器的采样率为250MS/s，转换位数为14位，通道数为4个。所采用的片上随机存取存储器的大存储缓冲区可实现高吞吐量的数据采集和处理，使采集时间可大于1s。由于记录一组干涉信号仅需数毫秒(1/Δfr)，因此一次采集即可获得数百组连续的干涉信号用于后续吸收光谱和路径长度的计算平均。
此外，氦氖激光器2输出空间光，历经反射镜3、光纤耦合器4、第一单模光纤5-1和第一反射式光纤准直器6-1后，光准直为空间光输出。上述部分的目是引入与第一光学频率梳1-1同光路的可见光，用于测量路径光路的预对准和预调节。
本实施例中所采用的氦氖激光器2输出波长为632.8nm，输出功率为1mW。
本实施例中所采用的光频梳的重复频率约为250MHz，对应双光梳时间飞行法的NAR为1.2m。可与GPS定位系统米量级的测量精度衔接，两种方法结合以确定超出NAR的真实的路径长度。或者可以通过应用合成波长法来实现可靠的NAR扩展。分口径实现方法可以达到的光谱分辨率取决于干涉信号零光程差位置之间的间隔。本实施例中，目标路径被划分为三个路径段，测量的光谱分辨率为750MHz(～0.025cm-1)，可以很好地分辨正常温度和压力条件下的几GHz线宽的痕量气体吸收线。同等条件下，分波段实现方法可以达到的分辨率为250MHz(～0.008cm-1)。更高的分辨率可以通过使用重复频率更低的光频梳光源实现，以满足更精细的气体探测需求。两台光频梳光谱覆盖范围超过10THz，其重复频率差可调，本实施例中选择为290Hz，可以实现全光谱宽带探测且无需任何滤光片。使用最小二乘方法进行浓度反演时，其拟合残差一般小于千分之一，可以实现对目标路径中多种类气体的同时分布式定量探测。
本发明采用两台重复频率略有差异的光频梳作为宽带主动探测光源。使用吸收路径级联分段调节模块，通过对信号光光束口径或波段进行滤取实现目标路径分段化，将吸收路径区分为级联路段。多路段返回信号有不同的时间延迟，依次和参考光干涉，在单个采样周期内产生时间复用的多个多外差干涉信号。结合光学频率梳在光谱学和测距领域内的测量潜力，可同时从复用信号中获得多路径的吸收光谱和路径长度，进而反演出各级联路段内的气体种类及浓度。本发明克服了传统方法仅能测量单一路径上平均气体浓度，无法分辨气体浓度变化的缺点，在单组光源单像元探测器的条件下，可方便有效地实现高探测速率、多气体种类的分布式定量探测，显著提升激光光谱的探测效能。
上述实施例仅用于说明本发明，其中光频梳光源的中心波长、光谱带宽及重复频率，吸收路径级联分段调节模块中所用元件的口径、滤光波段，路径段的划分数目，各部件的结构及连接方式以及信号的探测与数据处理流程等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行等同配置、变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (9)
1.一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法，其特征在于，包括：
采用具有几十至几千赫兹可调重频差的两台光学频率梳作为宽带主动探测光源，其中一台作为信号光，一台作为参考光；
采用一组吸收路径级联分段调节模块对探测路径进行路段划分，所述分段调节利用吸收路径级联分段调节模块（9）通过对信号光光束的口径或波段进行滤取实现；
采用单像元探测器对多路段返回的信号进行探测，所述单像元探测器采用外触发模式，触发信号频率与其中一台光学频率梳的重复频率一致，所述多路段返回的信号有不同的时间延迟，依次和参考光合束，入射至单像元探测器，在单个采样周期内产生时间复用的多个多外差干涉信号；
采用时间窗对复用的多个多外差干涉信号进行拆分提取，通过时域信号包络零点解算各吸收路径长度，通过傅里叶变换光谱复原法解算对应光谱信息，并结合两者获得各路径段气体种类及其浓度信息；
其中，所述吸收路径级联分段调节模块（9）包括依次位于探测路径上的多组调节模块元件和一个反射镜（9-4），分段调节通过分口径或分波段方式实现：
分口径实现时，调节模块元件为信号光束口径内反射面积比例逐渐增大的一组反射镜，反射镜（9-4）将剩余未被反射的信号光反射回，且各反射镜反射面积比例配置满足各路段反射光能量比接近1；
分波段实现时，调节模块元件为分色滤光片，将特定波段的光反射，其余波段的光透射，反射镜（9-4）将剩余未被反射的信号光反射回，各分色滤光片截止波长配置满足依次滤出波段中均包含目标气体较强的吸收线，且各路段反射光能量比接近1。
2.根据权利要求1所述级联吸收路径气体浓度复用探测的方法，其特征在于，在时域中利用时间飞行法，从复用信号包络零点解算信号光所经不同路径的路径长度，即得各吸收路径长度；在频域中对复用信号进行傅里叶变换、滤波及频率映射，解算信号光所经不同路径的吸收光谱，即得对应光谱信息。
3.根据权利要求1或2所述级联吸收路径气体浓度复用探测的方法，其特征在于，结合所获得的吸收路径长度和对应光谱信息进行最小二乘拟合，反演出各路径段气体种类及其浓度，实现气体的分布式定量探测。
4.根据权利要求1或2所述级联吸收路径气体浓度复用探测的方法，其特征在于，采用两台重复频率差在几十至几千赫兹可调的光学频率梳作为宽带主动探测光源。
5.一种实现权利要求1所述级联吸收路径气体浓度复用探测的方法的探测装置，其特征在于，包括：
第一光学频率梳（1-1），
第二光学频率梳（1-2），与第一光学频率梳（1-1）具有几十至几千赫兹可调重频差，其输出光作为参考光；
第一反射式光纤准直器（6-1），通过第二单模光纤（5-2）连接第一光学频率梳（1-1），将第一光学频率梳（1-1）的输出光准直成空间光一；
第二反射式光纤准直器（6-2），通过第三单模光纤（5-3）连接第二光学频率梳（1-2），将第二光学频率梳（1-2）的输出光准直成空间光二；
立方体分束器（7），设置于空间光一和空间光二的路径上；
离轴抛物面反射镜，设置于空间光一透射立方体分束器（7）之后的路径上，将透射光调节扩束准直后作为信号光输出；
吸收路径级联分段调节模块（9），设置于探测路径上，通过多段吸收实现路段划分，并将信号光返回，返回的信号光在立方体分束器（7）反射，与空间光二经立方体分束器（7）的透射光合束；
光电探测器（10），接收合束后的光；
采集模块（11），接光电探测器（10）将接收的合束光转换为数字信号；
分析处理模块（12），按解算方法得到各路径吸收光谱和路径长度。
6.根据权利要求5所述探测装置，其特征在于，还包括氦氖激光器（2），氦氖激光器（2）的输出光路上设置光纤耦合器（4），光纤耦合器（4）通过第一单模光纤（5-1）连接第一反射式光纤准直器（6-1），第一反射式光纤准直器（6-1）将氦氖激光器（2）的输出光准直入空间光一。
7.根据权利要求6所述探测装置，其特征在于，所述离轴抛物面反射镜包括反射面相对称的第一离轴抛物面反射镜（8-1）和第二离轴抛物面反射镜（8-2），所述合束后的光的路径上设置第三离轴抛物面反射镜（8-3），合束后的光经第三离轴抛物面反射镜（8-3）聚焦后由光电探测器（10）接收，所述第一反射式光纤准直器（6-1）、第一离轴抛物面反射镜（8-1）、第二离轴抛物面反射镜（8-2）和第三离轴抛物面反射镜（8-3）均为反射式器件。
8.根据权利要求5所述探测装置，其特征在于，所述吸收路径级联分段调节模块（9）包括依次位于探测路径上的多组调节模块元件和一个反射镜（9-4），分段调节通过分口径或分波段方式实现：
分口径实现时，调节模块元件为信号光束口径内反射面积比例逐渐增大的一组反射镜，反射镜（9-4）将剩余未被反射的信号光反射回，且各反射镜反射面积比例配置满足各路段反射光能量比接近1；
分波段实现时，调节模块元件为分色滤光片，将特定波段的光反射，其余波段的光透射，反射镜（9-4）将剩余未被反射的信号光反射回，各分色滤光片截止波长配置满足依次滤出波段中均包含目标气体较强的吸收线，且各路段反射光能量比接近1。
9.根据权利要求5所述探测装置，其特征在于，所述调节模块元件前后位置在测量非模糊区间内预先微调，实现复用信号沿时间轴的均匀分布，以达到测量光谱分辨率的最佳分配。
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Families Citing this family (8)
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|---|---|---|---|---|
| CN112345424B (zh) * | 2020-11-27 | 2022-10-04 | 太原理工大学 | 波长调谐单像素探测气体扩散和浓度分布的方法及装置 |
| CN112683835A (zh) * | 2020-12-18 | 2021-04-20 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 一种混合气体探测装置及系统 |
| CN113866112A (zh) * | 2021-09-27 | 2021-12-31 | 唐山市智明电子科技有限公司 | 一种便携式气体传感系统 |
| CN113866111A (zh) * | 2021-09-27 | 2021-12-31 | 唐山市智明电子科技有限公司 | 一种坑道内扫描激光传感系统 |
| CN114384045B (zh) * | 2022-01-10 | 2024-01-12 | 北京航空航天大学 | 一种痕量气体浓度和路径长度实时检测系统与方法 |
| WO2024145702A1 (pt) * | 2023-01-04 | 2024-07-11 | Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobrás | Sistema e método para monitoração óptica passiva de concentração de multi-gases, multi-parâmetros em múltiplos pontos |
| CN117129438B (zh) * | 2023-08-29 | 2024-08-09 | 交通运输部公路科学研究所 | 一种基于傅里叶红外遥测阵列的车流排放污染物探测方法 |
| CN118258541B (zh) * | 2024-05-31 | 2024-07-19 | 兰州空间技术物理研究所 | 一种可调谐激光二极管真空分压力测量方法及装置 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101721196A (zh) * | 2008-10-24 | 2010-06-09 | 南京理工大学 | 基于径向剪切干涉的角膜地形光学测量装置 |
| CN102906535A (zh) * | 2011-05-02 | 2013-01-30 | 福斯分析股份公司 | 光谱仪 |
| CN104316186A (zh) * | 2014-07-07 | 2015-01-28 | 华东师范大学 | 一种基于光学频率梳的光谱测量方法 |
| CN109141276A (zh) * | 2018-07-06 | 2019-01-04 | 华东师范大学 | 一种双光学频率梳线性光谱编码成像方法 |
| CN109357763A (zh) * | 2018-09-27 | 2019-02-19 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种基于时间分辨光频梳的大气吸收光谱测量系统及方法 |
| CN111093311A (zh) * | 2019-12-09 | 2020-05-01 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种深紫外波段复合灵敏度光谱仪 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7440114B2 (en) * | 2005-12-12 | 2008-10-21 | Coherix, Inc. | Off-axis paraboloid interferometric mirror with off focus illumination |
| US8120778B2 (en) * | 2009-03-06 | 2012-02-21 | Imra America, Inc. | Optical scanning and imaging systems based on dual pulsed laser systems |
| US10694939B2 (en) * | 2016-04-29 | 2020-06-30 | Duke University | Whole eye optical coherence tomography(OCT) imaging systems and related methods |
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-
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101721196A (zh) * | 2008-10-24 | 2010-06-09 | 南京理工大学 | 基于径向剪切干涉的角膜地形光学测量装置 |
| CN102906535A (zh) * | 2011-05-02 | 2013-01-30 | 福斯分析股份公司 | 光谱仪 |
| CN104316186A (zh) * | 2014-07-07 | 2015-01-28 | 华东师范大学 | 一种基于光学频率梳的光谱测量方法 |
| CN109141276A (zh) * | 2018-07-06 | 2019-01-04 | 华东师范大学 | 一种双光学频率梳线性光谱编码成像方法 |
| CN109357763A (zh) * | 2018-09-27 | 2019-02-19 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种基于时间分辨光频梳的大气吸收光谱测量系统及方法 |
| CN111093311A (zh) * | 2019-12-09 | 2020-05-01 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种深紫外波段复合灵敏度光谱仪 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| "Segment-Resolved Gas Concentration Measurements by a Time Domain Multiplexed Dual Comb Method";Xinyi Chen，et.al.;《Sensors》;20200311;第20卷(第1566期);第1-10页 * |
| "光频链接的双光梳气体吸收光谱测量";张伟鹏 等;《物理学报》;20200311;第67卷;第090701-1-090701-9页 * |
| Xinyi Chen，et.al.."Digitally Calibrated Dual-comb Spectrometer for Open-air Gases Detection".《CLEO 2020 ©OSA 2020》.2020,第1-2页. * |
| Xinyi Chen，et.al.."Segment-Resolved Gas Concentration Measurements by a Time Domain Multiplexed Dual Comb Method".《Sensors》.2020,第20卷(第1566期),第1-10页. * |
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