CN111751845B - 用于气体检测的激光雷达频率锁定装置及方法 - Google Patents

用于气体检测的激光雷达频率锁定装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置及方法，通过激光光源输出待测气体的目标吸收线的波长相同第一激光信号到光强度调制器，信号发生装置输出第一调制信号到光强度调制器，以产生两个对称的边带信号，光强度调制器输出的信号经气体吸收池后由激光频率检测装置检测；信号发生装置输出偏置电压信号到光强度调制器，以使激光频率检测装置输出的信号中与λ1和λ2对应的信号强度相同。本发明通过光强度调制器的调制信号能够准确地检测到激光频率的偏移，并通过光强度调制器的偏置电压信号精确地锁定激光频率。本发明构思巧妙、结构紧凑、操作方便、成本低、应用灵活，可应用于各种气体检测中激光频率的精确锁定。

Description

用于气体检测的激光雷达频率锁定装置及方法
技术领域
本发明涉及激光雷达大气遥感领域，尤其涉及一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置及方法。
背景技术
气体检测对于研究大气污染和大气成分有重要意义，差分吸收激光雷达能有效测量大气气体成分。差分吸收激光雷达气体检测时向大气中发射两束波长相近的激光，其中一个波长处于待测气体的吸收线上，它被待测气体较强烈吸收，称为在线波长(on波长)；另一波长处于待测气体的吸收线的边翼上或吸收线外，待测气体对它吸收很少或没有吸收，称为离线波长(off波长)。由于这两束激光波长相近，其他气体分子和其他家对于这两个波长的消光一般情况下基本相同可以忽略。两束激光的回波强度的差异只是由待测其他分子的吸收所引起，从而根据两个波长回波强度的差分可以确定待测其他分子的浓度。
本发明的发明人经研究发现：在利用激光雷达对气体进行检测时，对于在线波长，需要将出射的激光波长或频率精确地对准到待探测气体的某一吸收线上。由于在线波长和离线波长很接近，如果在线波长和频率发生漂移，远离气体吸收线，则会导致测量得到的在线信号和离线信号差值明显减小，甚至测量不到有效信号，为气体检测带来很大的误差。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置及方法，能够实现激光雷达波长和频率的精确锁定，本发明结构紧凑、操作方便、成本低、应用灵活，可应用于各种气体检测中激光频率的精确锁定。
为实现本发明的上述目的，本发明提供了一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置，包括：激光光源、光强度调制器、信号发生装置、气体吸收池和激光频率检测装置；
激光光源用于输出第一激光信号到光强度调制器，所述第一激光信号的波长λ0与待测气体的目标吸收线的波长λon相同；
信号发生装置用于输出第一调制信号到光强度调制器；
光强度调制器用于根据接收的第一调制信号对第一激光信号调制，以产生第一边带信号和第二边带信号，第一边带信号的中心波长为λ1，第二边带信号的中心波长为λ2；λ0与λ1的差值等于λ2与λ0的差值；λ2>λ1；
气体吸收池中填充有待测气体；光强度调制器输出的信号经气体吸收池后输出到激光频率检测装置；
激光频率检测装置用于检测气体吸收池输出的信号，激光频率检测装置的检测结果中包含λ1波长和λ2波长对应的信号强度；
光强度调制器还用于接收信号发生装置输出的偏置电压信号，根据偏置电压信号对第一激光信号调制，以使激光频率检测装置的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同。
进一步的，所述光强度调制器为马赫曾德电光调制器，所述马赫曾德电光调制器设置有用于输入第一调制信号的调制信号输入端和用于输入偏置电压信号的偏置电压输入端。
进一步的，所述激光频率检测装置包括波分复用器和第一光探测器、第二光探测器；
所述波分复用器用于接收气体吸收池输出的信号，并将输入的信号分为多个不同波长的信号输出；所述波分复用器设置有用于输出λ1波长的第一端口和输出λ2波长第二端口；
所述第一光探测器用于检测第一端口输出的信号；所述第二光探测器用于检测第二端口输出的信号。
可选的，所述激光频率检测装置为光谱仪。
进一步的，0<Δλ<2ΔλFWHM；其中，即Δλ＝λ2-λ1；ΔλFWHM为所述激光信号经气体吸收池后的透过率曲线的半高全宽对应的波长间隔。
进一步的，还包括数据采集装置和处理器，数据采集装置用于将激光频率检测装置输出的信号转换为数字信号后输出到处理器；所述处理器根据激光频率检测装置检测结果中与λ2和λ1对应的信号强度信息调节偏置电压信号，直到激光频率检测装置的检测结果中与λ2和λ1对应的信号强度相同。
本发明还提供了一种用于气体检测的激光雷达频率锁定方法，包括：
激光光源输出第一激光信号到光强度调制器，所述第一激光信号的波长λ0与待测气体的目标吸收线的波长λon相同；
信号发生装置输出第一调制信号到光强度调制器；
光强度调制器用于根据接收的第一调制信号对第一激光信号调制，产生第一边带信号和第二边带信号；第一边带信号的中心波长为λ1，第一边带信号的中心波长为λ2；λ0与λ1的差值和λ2与λ0的差值相等；λ2>λ1；
光强度调制器输出的信号经气体吸收池后输出到激光频率检测装置；气体吸收池中填充有待测气体；
激光频率检测装置检测气体吸收池输出的信号，激光频率检测装置的检测结果中包含λ1波长和λ2波长对应的信号强度；
光强度调制器接收信号发生装置输出的偏置电压信号，根据偏置电压信号对第一激光信号调制，以使激光频率检测装置的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同。
进一步的，光强度调制器接收信号发生装置输出的偏置电压信号，根据偏置电压信号对第一激光信号调制，以使激光频率检测装置的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同，包括：
判断激光频率检测装置的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度是否相同，若否，则调节信号发生装置输出到光强度调制器的偏置电压信号，直到激光频率检测装置的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同。
进一步的，光强度调制器接收信号发生装置输出的偏置电压信号，根据偏置电压信号对第一激光信号调制，以使激光频率检测装置的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同，包括：
数据采集装置将激光频率检测装置输出的信号转换为数字信号后输出到处理器；
所述处理器根据激光频率检测装置检测结果中与λ2和λ1对应的信号强度信息调节偏置电压信号，直到激光频率检测装置的检测结果中与λ2和λ1对应的信号强度相同。
综上所述，本发明实施例提供了一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置，通过激光光源输出待测气体的目标吸收线的波长相同第一激光信号到光强度调制器，信号发生装置输出第一调制信号到光强度调制器，以产生两个对称的边带信号，光强度调制器输出的信号经气体吸收池后由激光频率检测装置检测；信号发生装置输出偏置电压信号到光强度调制器，以使激光频率检测装置输出的信号中与λ1和λ2对应的信号强度相同。本发明通过光强度调制器的调制信号能够准确地检测到激光频率的偏移，并通过光强度调制器的偏置电压信号精确地锁定激光频率。本发明对激光频率的锁定装置和方法，利用待测气体的目标吸收线的波长λon稳定性，巧妙地通过对激光信号进行强度调制，通过简单地对比输出的边带信号光强差值，就能快速实现激光频率的锁定，因此，本发明的方案能够实现非常高的频率锁定精度；且本发明的装置构思巧妙、光路简单，结构紧凑、操作方便、能够实现低成本、快速、精确的激光频率锁定，可应用于各种气体检测中激光频率的精确锁定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置的第一原理图；
图3为本发明实施例提供的一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置的第二原理图；
图4为本发明实施例提供的一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置的又一结构框图；
图5为本发明实施例提供的一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置的另一结构框图；
图6为本发明实施例提供的一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置的另一结构框图；
图7为本发明实施例提供的一种用于气体检测的激光雷达频率锁定方法的流程图。
图中，100-激光光源，200-光强度调制器，300-信号发生装置，400-气体吸收池，500-激光频率检测装置，510-波分复用器，511-第一光探测器，512-第二光探测器，520-光谱仪，600-数据采集装置，700-处理器。
具体实施方式
下面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1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，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置及方法，能够实现激光雷达频率的精确锁定，本发明结构紧凑、操作方便、成本低、应用灵活，可应用于各种气体检测中激光频率的精确锁定。
如图1所示，本发明提供了一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置，包括：激光光源100、光强度调制器200、信号发生装置300、气体吸收池400和激光频率检测装置500。
激光光源100用于输出第一激光信号到光强度调制器200，所述第一激光信号的波长λ0与待测气体的目标吸收线的波长λon相同。
在气体测量中，激光光源100输出on波长的稳定性和准确性非常重要，因此要对on波长锁定。待测气体一般包括多个吸收线，每个吸收线对应一个特定的波长。理想情况下，第一激光信号的波长λ0与待测气体的目标吸收线的波长λon相同。但是，实际测量中，由于种种原因，激光光源100输出的波长会发生抖动及漂移，导致第一激光信号的波长λ0与待测气体的目标吸收线的波长λon不同，需要对第一激光信号的波长及频率进行锁定以提高气体测量准确性和精度。
信号发生装置300用于输出第一调制信号到光强度调制器200。
信号发生装置300也称为信号发生器、信号源或振荡器。能够产生各种频率、波形和输出电平电信号。各种波形曲线以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波(含方波)、正弦波的电路被称为函数信号发生器。在测量各种电信系统或电信设备的振幅特性、频率特性、传输特性及其它电参数时，以及测量元器件的特性与参数时，用作测试的信号源或激励源。
信号发生装置300与光强度调制器200连接。信号发生装置300可以是信号发生器，信号发生装置300能够输出直流电压信号和交流电压信号。
光强度调制器200用于根据接收的第一调制信号对第一激光信号调制，以产生第一边带信号和第二边带信号，第一边带信号的中心波长为λ1，第二边带信号的中心波长为λ2；λ0与λ1的差值等于λ2与λ0的差值；λ2>λ1。
具体的，若第一激光信号的电场强度是：
Figure GDA0003991913870000061
式中，Ac为第一激光信号的振幅，ωc为第一激光信号的角频率，
Figure GDA0003991913870000062
为第一激光信号的相位角。如果能够使得激光的振幅、频率、相位、强度、偏振等参量按调制信号的规律变化。那么，激光就受到了信号的调制，达到“运载”信息的目的。实现激光调制的方法可以分为内调制和外调制两种。内调制是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制。外调制是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。由于外调制的调整方便，而且对激光器没有影响，另外，外调制方式不受半导体器件工作速率的限制，故它比内调制的调制速率高，调制带宽要宽得多，在未来的高速率、大容量的光通信及光信息处理应用中，更受人们的重视。本发明中，采用光强度调制器200对第一激光信号进行调制采用的就是外调制方式。
调制信号可以是一个时间的余弦函数，即：
a(t)＝Amcos(ωmt)   (2)
式中，Am是调制信号的振幅，ωm是调制信号的角频率。当进行调制之后，第一激光信号的振幅Ac不再是常量，而是与调制信号成正比。其调幅波的表达式为：
Figure GDA0003991913870000063
利用三角函数公式将公式(3)展开，即得到调幅波的频谱公式，即
Figure GDA0003991913870000064
式中，ma＝Am/Ac，称为调幅系数。由上式可知，调幅波的频谱是由三个频率成分组成的，其中，第一项是载频分量(即第一激光信号)；第二、第三项是因调制而产生的新分量，称为边频分量。上述分析是单频余弦信号调制的情况。如果调制信号是一个复杂的周期性信号，则调幅波的频谱将由载频分量和两个边频带所组成。
调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变的振荡。因为这两种调制波都表现为总相角
Figure GDA0003991913870000065
的变化，因此统称为角度调制。
调相波的表达式为
Figure GDA0003991913870000071
式中，
Figure GDA0003991913870000072
称为调相系数。
由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可写成统一的形式
Figure GDA0003991913870000073
式中，m为调制系数，对上式展开，并查贝塞尔函数表，可得到：
Figure GDA0003991913870000074
在单频正弦波调制时，其角度调制波的频谱是由光载频与在它两边对称分布的无穷多对边频所组成的。各边频之间的频率间隔是ωm，各边频幅度的大小Jn(m)由贝塞尔函数决定。
当角度调制系数较小(即m<<1)时，n≥2的高阶贝塞尔函数对应的边频可以忽略，所以角度调制波的频谱与调幅波的频谱有着相同的形式。
第一调制信号可以是周期性信号，如单频正弦波、余弦波信号。优选的，第一调制信号的调制系数m<<1。
本发明中，通过周期性的第一调制信号对第一激光信号调制，产生第一边带信号和第二边带信号；第一边带信号的中心波长为λ1，第一边带信号的中心波长为λ2。第一边带信号和第二边带信号对称分布于所述第一激光信号两侧，第一边带信号和第二边带信号的中心波长与λ0的波长间隔相等，即λ0与λ1的差值和λ2与λ0的差值相等。
气体吸收池400中填充有待测气体；光强度调制器200输出的信号经气体吸收池400后输出到激光频率检测装置500。
光强度调制器200输出的信号经填充由待测气体的气体吸收池400后，第一激光信号被待测气体吸收，λon波长对应的信号透过率明显下降，且λon波长对应的信号透过率最低。
激光频率检测装置500用于检测气体吸收池400输出的信号，激光频率检测装置500的检测结果中包含λ1波长和λ2波长对应的信号强度。
光强度调制器200还用于接收信号发生装置300输出的偏置电压信号，根据偏置电压信号对第一激光信号调制，以使激光频率检测装置500的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同。
具体的，信号发生装置300输出的偏置电压信号可以是直流电压。信号发生装置300输出的偏置电压信号能够使激光频率检测装置500的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同。
具体的，判断激光频率检测装置500的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度是否相同，若否，则调整偏置电压信号，直到激光频率检测装置500的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同。
具体的，λ1波长和λ2波长由第一调制信号对第一激光信号调制产生，因此，当第一激光信号确定后，λ1和λ2的波长间隔Δλ由第一调制信号确定。
待测气体一般包括多个吸收线，每个吸收线对应一个特定的波长。对于波长λon的目标吸收线，波长为λon的激光信号通过气体吸收池400后，被气体吸收。由光探测器测量激光信号经气体吸收池400后的透过率得到一个透过率曲线，该透过率曲线最低点对应的波长为λon。图2中的曲线为气体透过率曲线的一个示意图。透过率曲线获得方式如下：将激光光源100输出的激光信号通过气体吸收池400后，由光探测器测量信号强度得到透过率曲线。
当第一激光信号的波长等于待测气体的目标吸收线的波长λon时，即λ0＝λon时，在透过率曲线上，第一边带信号和第二边带信号相对于λon对称分布，λ1和λ2相对于λon对称分布，激光频率检测装置500的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同。因此，通过检测λ1波长和λ2波长对应的信号强度是否相同，可以判断第一激光信号的波长是否漂移；通过信号调制使得λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同，能够将第一激光信号的频率精确地锁定在待测气体的目标吸收线的波长λon位置，从而实现用于气体检测的激光雷达频率的快速、精确锁定。本发明对激光频率的锁定装置和方法，利用待测气体的目标吸收线的波长λon稳定性，巧妙地通过对激光信号进行强度调制，通过简单地对比输出的边带信号光强差值，就能快速实现激光频率的锁定，因此，本发明的方案能够实现非常高的频率锁定精度；且本发明的装置构思巧妙、光路简单，能够实现低成本、快速、精确的激光频率锁定，可应用于各种气体检测中激光频率的精确锁定。
在一个实施例中，所述光强度调制器200为马赫曾德电光调制器，所述马赫曾德电光调制器设置有用于输入第一调制信号的调制信号输入端和用于输入偏置电压信号的偏置电压输入端。
光调制器可分为电吸收调制器和基于马赫曾德(Mach-Zehnder)结构的电光调制器(MZ electro-optic modulator)，简称MZ电光调制器。MZ电光调制器与依靠外加电压改变材料的吸收谱线的电吸收调制器不同，它主要利用了线性电光效应(即Pocket效应)来调节材料的折射率。输入光波经过一个Y分支后变为两路，由于两臂所加电压不同，导致两臂由Pocket效应引入的折射率变化不同，再经过一个Y分支将信号和为一路输出，输出光功率随所加载的电压变化。
马赫曾德电光调制器设置有用于输入调制信号的调制信号输入端和用于输入偏置电压信号的偏置电压输入端。
调制信号输入端用于输入信号发生装置300输出的第一调制信号，以产生第一边带信号和第二边带信号。偏置电压输入端用于输入信号发生装置300输出的偏置电压信号，也称为直流偏压(bias)；控制直流偏压的大小可以对第一激光信号进行调制；以实现第一激光信号频率和波长的精确锁定。
在一个实施例中，所述激光频率检测装置500包括波分复用器510和第一光探测器511、第二光探测器512。
所述波分复用器510用于接收气体吸收池400输出的信号，并将输入的信号分为多个不同波长的信号输出；所述波分复用器510设置有用于输出λ1波长的第一端口和输出λ2波长第二端口。
波分复用器(wave-division multiplexing,WDM)是将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端再用某种方法，将各个不同波长的光信号分开的通信技术。这种技术可以同时在一根光纤上传输多路信号，每一路信号都由某种特定波长的光来传送，这就是一个波长信道。波分复用器是无源器件，主要完成多个光波长的复用和解复用。波分复用器的每个输出端口都对应一个特定的波长。本发明中，所述波分复用器510设置有用于输出λ1波长的第一端口和输出λ2波长第二端口。
所述第一光探测器511用于检测第一端口输出的信号；所述第二光探测器512用于检测第二端口输出的信号。
即，第一光探测器511用于探测λ1波长对应的信号强度；第二光探测器512用于探测λ2波长对应的信号强度。
光探测器也称为光电探测器photodetector，简称PD，用于检测光信号。
优选的，所述波分复用器510的中心波长为λon，波分复用器510输出信号的波长间隔不大于λ0与λ1的差值。
光强度调制器200还用于接收信号发生装置300输出的偏置电压信号，根据偏置电压信号对第一激光信号调制，以使激光频率检测装置500的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同，包括：
判断第一光探测器511输出的信号强度与第二光探测器512输出的信号强度是否相同；
若否，则调节偏置电压信号，直到第一光探测器511输出的信号强度与第二光探测器512输出的信号强度相同。
在本发明另一实施例中，所述激光频率检测装置500为光谱仪520。光谱仪520能够检测到激光频率检测装置500的输出的光信号，其中包括λ1波长和λ2波长对应的信号强度。
光强度调制器200还用于接收信号发生装置300输出的偏置电压信号，根据偏置电压信号对第一激光信号调制，以使激光频率检测装置500的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同，包括：
判断光谱仪520测量得到的λ1波长和λ2波长对应的信号强度是否相同；
若否，则调节偏置电压信号，直到λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同。
在本发明的一个实施例中，0<Δλ<2ΔλFWHM；其中，Δλ为λ1和λ2的波长间隔，即Δλ＝λ2-λ1；ΔλFWHM为所述激光信号经气体吸收池400后的透过率曲线的半高全宽对应的波长间隔。
图2和图3为本发明实施例提供的一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置的两个原理图，图中的曲线为上述的透过率曲线。对透过率曲线分析，得到半高全宽对应的波长间隔为ΔλFWHM。ΔλFWHM的具体求解方法为透过率曲线的透过率(纵坐标)为最大值的一半处所对应的两个波长的差值。如果透过率的最大值为1，则ΔλFWHM为透过率为0.5对应的两个波长的差值。
当0<Δλ<2ΔλFWHM时，对应的，输入光强度调制器200的第一调制信号产生的第一边带信号和第二边带信号分别位于透过率曲线的两翼。在两翼位置，透过率曲线比较陡峭，频率的微小变化都会造成相应光强的明显变化。因此，当激光光源100输出的第一激光信号的波长λ0与λon完全一致时，λ1和λ2相对于λon对称分布，λ1和λ2上透过的信号强度完全相同，如图2所示。如图3所示，当激光光源100输出的第一激光信号的波长λ0与λon发生偏差时，λ1和λ2随之发生偏移，λ1和λ2相对于λon不再对称，导致λ1和λ2上透过的信号强度产生明显的偏差。因此，激光波长和频率的微小变化都会导致λ1和λ2对应的信号强度发生明显变化。通过调节偏置电压使λ1和λ2对应的信号强度相同，能够实现快速、精确地锁定激光波长和频率。优选的，Δλ＝ΔλFWHM，从而使λ1和λ2对应的第一边带信号和第二边带信号处于最陡峭的半腰位置，频率锁定的灵敏度最高。
在一个实施例中，还包括数据采集装置600和处理器700，数据采集装置600用于将激光频率检测装置500输出的信号转换为数字信号后输出到处理器700；所述处理器700根据激光频率检测装置500检测结果中与λ2和λ1对应的信号强度信息调节偏置电压信号，直到激光频率检测装置500的检测结果中与λ2和λ1对应的信号强度相同。通过设置处理器700和数据采集装置600，能够实现激光频率的自动锁定，不需要人工参与，进一步提高了激光雷达频率锁定的自动化智能化程度。
本发明还提供了一种用于气体检测的激光雷达频率锁定方法，基于上述气体检测的激光雷达频率锁定装置，包括：
S1、激光光源输出第一激光信号到光强度调制器，所述第一激光信号的波长λ0与待测气体的目标吸收线的波长λon相同；
S2、信号发生装置输出第一调制信号到光强度调制器；
S3、光强度调制器用于根据接收的第一调制信号对第一激光信号调制，产生第一边带信号和第二边带信号；第一边带信号的中心波长为λ1，第一边带信号的中心波长为λ2；λ0与λ1的差值和λ2与λ0的差值相等；λ2>λ1；
S4、光强度调制器输出的信号经气体吸收池后输出到激光频率检测装置；气体吸收池中填充有待测气体；
S5、激光频率检测装置检测气体吸收池输出的信号，激光频率检测装置的检测结果中包含λ1波长和λ2波长对应的信号强度；
S6、光强度调制器接收信号发生装置输出的偏置电压信号，根据偏置电压信号对第一激光信号调制，以使激光频率检测装置的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同。
在一个实施例中，S6包括：判断激光频率检测装置500的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度是否相同；
若否，则调节信号发生装置300输出到光强度调制器200的偏置电压信号，直到激光频率检测装置500的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同。
在一个实施例中，本发明的装置还包括数据采集装置600和处理器700。
光强度调制器接收信号发生装置输出的偏置电压信号，根据偏置电压信号对第一激光信号调制，以使激光频率检测装置的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同，包括：包括：
S61、数据采集装置600将激光频率检测装置500输出的信号转换为数字信号后输出到处理器700；
S62、所述处理器700根据激光频率检测装置500检测结果中与λ2和λ1对应的信号强度信息调节偏置电压信号，直到激光频率检测装置500的检测结果中与λ2和λ1对应的信号强度相同。
在本实施例中，处理器700实时获取激光频率检测装置500的检测结果，判断λ2和λ1对应的信号强度是否相同，若否，则控制信号发生装置偏置电压改变，直到激光频率检测装置500的检测结果中与λ2和λ1对应的信号强度相同。
综上所述，本发明实施例提供了一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置，通过激光光源输出待测气体的目标吸收线的波长相同第一激光信号到光强度调制器，信号发生装置输出第一调制信号到光强度调制器，以产生两个对称的边带信号，光强度调制器输出的信号经气体吸收池后由激光频率检测装置检测；信号发生装置输出偏置电压信号到光强度调制器，以使激光频率检测装置输出的信号中与λ1和λ2对应的信号强度相同。本发明通过光强度调制器的调制信号能够准确地检测到激光频率的偏移，并通过光强度调制器的偏置电压信号精确地锁定激光频率。本发明结构紧凑、操作方便、成本低、应用灵活，可应用于各种气体检测中激光频率的精确锁定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置，其特征在于，包括：激光光源、光强度调制器、信号发生装置、气体吸收池和激光频率检测装置；
激光光源用于输出第一激光信号到光强度调制器，所述第一激光信号的波长λ0与待测气体的目标吸收线的波长λon相同；
信号发生装置用于输出第一调制信号到光强度调制器；
光强度调制器用于根据接收的第一调制信号对第一激光信号调制，以产生第一边带信号和第二边带信号，第一边带信号的中心波长为λ1，第二边带信号的中心波长为λ2；λ0与λ1的差值等于λ2与λ0的差值；λ2>λ1；
气体吸收池中填充有待测气体；光强度调制器输出的信号经气体吸收池后输出到激光频率检测装置；
激光频率检测装置用于检测气体吸收池输出的信号，激光频率检测装置的检测结果中包含λ1波长和λ2波长对应的信号强度；
光强度调制器还用于接收信号发生装置输出的偏置电压信号，根据偏置电压信号对第一激光信号调制，以使激光频率检测装置的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同。
2.根据权利要求1所述的一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置，其特征在于，所述光强度调制器为马赫曾德电光调制器，所述马赫曾德电光调制器设置有用于输入第一调制信号的调制信号输入端和用于输入偏置电压信号的偏置电压输入端。
3.根据权利要求1所述的一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置，其特征在于，所述激光频率检测装置包括波分复用器和第一光探测器、第二光探测器；
所述波分复用器用于接收气体吸收池输出的信号，并将输入的信号分为多个不同波长的信号输出；所述波分复用器设置有用于输出λ1波长的第一端口和输出λ2波长第二端口；
所述第一光探测器用于检测第一端口输出的信号；所述第二光探测器用于检测第二端口输出的信号。
4.根据权利要求1所述的一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置，其特征在于，所述激光频率检测装置为光谱仪。
5.根据权利要求1所述的一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置，其特征在于，0<Δλ<2ΔλFWHM；其中，即Δλ＝λ2-λ1；ΔλFWHM为所述激光信号经气体吸收池后的透过率曲线的半高全宽对应的波长间隔。
6.根据权利要求1所述的一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置，其特征在于，还包括数据采集装置和处理器，数据采集装置用于将激光频率检测装置输出的信号转换为数字信号后输出到处理器；所述处理器根据激光频率检测装置检测结果中与λ2和λ1对应的信号强度信息调节偏置电压信号，直到激光频率检测装置的检测结果中与λ2和λ1对应的信号强度相同。
7.一种用于气体检测的激光雷达频率锁定方法，基于权利要求1-6所述的一种用于气体检测的激光雷达频率锁定装置，其特征在于，包括：
激光光源输出第一激光信号到光强度调制器，所述第一激光信号的波长λ0与待测气体的目标吸收线的波长λon相同；
信号发生装置输出第一调制信号到光强度调制器；
光强度调制器用于根据接收的第一调制信号对第一激光信号调制，产生第一边带信号和第二边带信号；第一边带信号的中心波长为λ1，第一边带信号的中心波长为λ2；λ0与λ1的差值和λ2与λ0的差值相等；λ2>λ1；
光强度调制器输出的信号经气体吸收池后输出到激光频率检测装置；气体吸收池中填充有待测气体；
激光频率检测装置检测气体吸收池输出的信号，激光频率检测装置的检测结果中包含λ1波长和λ2波长对应的信号强度；
光强度调制器接收信号发生装置输出的偏置电压信号，根据偏置电压信号对第一激光信号调制，以使激光频率检测装置的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同。
8.根据权利要求7所述的一种用于气体检测的激光雷达频率锁定方法，其特征在于，
光强度调制器接收信号发生装置输出的偏置电压信号，根据偏置电压信号对第一激光信号调制，以使激光频率检测装置的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同，包括：
判断激光频率检测装置的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度是否相同；
若否，则调节信号发生装置输出到光强度调制器的偏置电压信号，直到激光频率检测装置的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同。
9.根据权利要求7所述的一种用于气体检测的激光雷达频率锁定方法，其特征在于，
光强度调制器接收信号发生装置输出的偏置电压信号，根据偏置电压信号对第一激光信号调制，以使激光频率检测装置的检测结果中λ1波长和λ2波长对应的信号强度相同，包括：
数据采集装置将激光频率检测装置输出的信号转换为数字信号后输出到处理器；
所述处理器根据激光频率检测装置检测结果中与λ2和λ1对应的信号强度信息调节偏置电压信号，直到激光频率检测装置的检测结果中与λ2和λ1对应的信号强度相同。
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