CN114112943A - 一种多组分气体检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多组分气体检测系统及方法，包括：频率梳光源模块，包括光学频率梳和可调谐光学滤波器，由所述可调谐光学滤波器选择所述光学频率梳在预定波长处的输出模式作为窄带探测光；光纤分束器，用于将所述窄带探测光平均分为两束光；双通道光路结构，用于将所述两束光于两个通道传输，分别输出参考光和测量光；光电检测模块，用于将所述参考光、所述参考光与所述测量光的差分信号分别转换成电信号；电信号处理模块，用于从所述电信号中提取幅值信息，得到表征目标气体浓度的信号；及计算模块，用于根据所述表征目标气体浓度的信号，计算目标气体浓度。具有系统简单稳定、检测灵敏度高、快速响应及时间分辨率高等优点。

Description

一种多组分气体检测系统及方法

技术领域

本申请属于光谱学气体传感技术领域，具体涉及一种多组分气体检测系统及方法。

背景技术

光谱学气体传感技术通过测量分子的指纹吸收光谱来分析气体浓度，是一种非接触式在线检测手段，目前成熟的光谱学气体传感技术主要根据光源的性质不同而分为两类：基于窄线宽激光器的可调谐激光光谱技术和基于宽带非相干光源的宽谱测量技术。前者得益于高度相干激光的低损耗传播特性，可以通过长距离吸收作用实现较高的检测灵敏度，但激光器波长的有限调谐范围通常只能针对一、两种气体组分；后者由于光源的输出光谱可以覆盖几百纳米的波长范围，能够进行多组分同时检测，但此类系统后端一般采用光谱仪来采集吸收光谱，需要较长的扫描时间，另外非相干光的传播距离远远达不到激光的水平，使得检测灵敏度大大降低。

飞秒光学频率梳，其超高速时域脉冲、宽光谱覆盖范围、严格等间距排列的频域梳齿以及高度相干的激光特性，完美结合了传统窄线宽激光器和宽带非相干光源的优势，为光谱学研究提供了全新的技术手段，有望实现集多组分、高灵敏度、快速响应特点于一身的气体传感系统。近十几年来，该研究领域快速发展，包括空间色散光谱、迈克尔逊干涉光谱、双光学频率梳光谱在内的三类现有频率梳光谱测量技术，已经展现出在气体探测领域的巨大应用潜力。然而，目前的相关系统均涉及复杂的宽带光谱采集和计算过程，且通常采用空间光路完成光信号的准直、干涉、接收等处理，存在系统庞大而精密、机械稳定性差、光谱采集效率低且噪声大、对频率梳光源稳定性要求极高而成本不菲的问题。

综上，目前三类主要的频率梳光谱测量技术弥补了传统光谱学气体传感技术无法兼顾多组分、高灵敏度、快速响应特点的缺陷，但都仍然存在一定的不足和改进空间。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种多组分气体检测系统及方法，以解决相关技术中存在的空间光路复杂而稳定性差、光谱采集效率低且噪声大、对频率梳光源稳定性要求过高而开发成本高的技术问题。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种多组分气体检测系统，其特征在于，包括：

频率梳光源模块，包括光学频率梳和可调谐光学滤波器，由所述可调谐光学滤波器选择所述光学频率梳在预定波长处的输出模式作为窄带探测光；

光纤分束器，用于将所述窄带探测光平均分为两束光；

双通道光路结构，用于将所述两束光于两个通道传输，分别输出参考光和测量光；

光电检测模块，用于将所述参考光、所述参考光与所述测量光的差分信号分别转换成电信号；

电信号处理模块，用于从所述电信号中提取幅值信息，得到表征目标气体浓度的信号；及

计算模块，用于根据所述表征目标气体浓度的信号，计算目标气体浓度。

进一步地，所述可调谐光学滤波器为具有覆盖所述光学频率梳完整输出光谱的宽工作波长范围、与目标气体分子单支吸收谱线宽度相近的窄带通带宽的光学滤波器。

进一步地，所述双通道光路结构包含参考通道与测量通道，所述参考通道中设置有光学衰减器，所述测量通道中设置有气体吸收池。

进一步地，所述光电检测模块为平衡光电探测器，用于根据所述参考光和所述测量光，分别输出表征参考光强度的电信号、表征参考光与测量光强度差值的电信号。

进一步地，所述平衡光电探测器为高速光电探测器。

进一步地，所述电信号处理模块包括双通道锁相放大器，所述双通道锁相放大器分别提取表征参考光强度的电信号、表征参考光与测量光强度差值的电信号的幅值信息，得到表征目标气体浓度的信号，其输出为两路直流信号。

进一步地，所述电信号处理模块还包括射频信号源和双通道混频器，所述射频信号源用于提供两路标准频率信号，通过所述双通道混频器分别对所述光电检测模块输出的电信号进行拍频，拍频后再输入到所述双通道锁相放大器。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种检测方法，应用于上述的多组分气体检测系统，包括：

步骤1）通过所述频率梳光源模块，由所述可调谐光学滤波器选择所述光学频率梳在预定波长处的输出模式作为窄带探测光；

步骤2）通过所述光纤分束器将所述窄带探测光平均分为两束，分别于双通道光路结构中的两个通道传输，输出参考光和测量光；

步骤3）通过光电检测模块将所述参考光、所述参考光与所述测量光的差分信号分别转换成电信号；

步骤4）通过电信号处理模块从所述电信号中提取幅值信息，得到表征目标气体浓度的信号；

步骤5）通过计算模块根据所述表征目标气体浓度的信号，计算目标气体浓度。

进一步地，该检测方法包括单一组分测量和多组分准同步测量两种工作模式，其中：

A）在单一组分高速测量模式下，设定目标气体组分，完成所述可调谐光学滤波器的通带设置后，执行步骤2）-步骤5），得到目标气体浓度；

B）在多组分准同步测量模式下，根据不同组分气体吸收波长，改变所述可调谐光学滤波器的通带，实现所述窄带探测光波长与不同组分吸收峰的对准，对于其中的每一种目标组分，执行步骤2）-步骤5）；循环所述可调谐光学滤波器的不同通带设置，通过所述窄带探测光波长与不同组分吸收峰的时分复用对准，实现多组分气体的准同步测量。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请的系统未涉及空间光路结构、完整光谱线型获取过程和光信号时域干涉过程，系统内各模块之间仅通过单模光纤和电信号线连接，具备系统简单、抗干扰能力强、稳定性好、成本低的特点。本申请的系统充分利用了光学频率梳超宽光谱特性，结合可调谐滤波器实现窄线宽探测光信号的波长调谐，灵活、快速地选择和切换光学频率梳的输出光信号波长，利用高频信号处理技术快速检测气体吸收造成的脉冲能量衰减，具有多组分、高灵敏、快速响应气体传感的特点。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种多组分气体检测系统的框图；

图2是根据一示例性实施例示出的另一种多组分气体检测系统的框图；

图3为根据一示例性实施例示出的多组分气体检测方法的流程示意图；

图4为根据一示例性实施例示出的二氧化碳单一组分高速测量实例的系统运行流程图；

图5为根据一示例性实施例示出的二氧化碳、乙炔、水蒸气、氨气四种目标气体的多组分准同步测量实例的系统运行流程图。

图中的附图标记有：1、频率梳光源模块；11、光学频率梳；12、可调谐光学滤波器；2、光纤分束器；3、双通道光路结构；31、光学衰减器；32、气体吸收池；4、光电检测模块；41、平衡光电探测器；5、电信号处理模块；51、双通道锁相放大器；52、射频信号源；53、双通道混频器；6、计算模块；7、数据采集卡。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

图1是根据一示例性实施例示出的一种多组分气体检测系统的框图，参考图1所示，该系统可以包括：频率梳光源模块1、光纤分束器2、双通道光路结构3、光电检测模块4、电信号处理模块5和计算模块6。

所述频率梳光源模块1包括光学频率梳11和可调谐光学滤波器12，由所述可调谐光学滤波器12选择所述光学频率梳11在预定波长处的输出模式作为窄带探测光。

所述光学频率梳11是一种宽谱激光光源，其在时域上表现为重复频率是

的超短 激光脉冲，

可以是几十至几百兆赫兹，在频域上，光学频率梳11的谱分布由若干个等间隔 排列的模式构成，频率间隔为

，整个谱宽一般可达几百纳米，覆盖多种不同气体分子的吸 收谱线。

所述可调谐光学滤波器12是一种具备超宽工作波长范围、超窄带通带宽的光学滤波器，可调谐的工作波长位置可以从输入的宽谱光信号中选择目标波长的光信号成分输出。超窄的通带带宽能够刚好覆盖目标气体分子单支吸收谱线的完整线型，以获得较强的吸收信噪比；其通带中心波长可以通过计算机软件控制进行电调谐或手动机械调谐，且具有超宽的调谐范围，可以覆盖多种气体组分的吸收谱线。

此实施例中，所述光学频率梳11的光谱覆盖范围在1510 ~ 1610纳米之间，重复频率为20兆赫兹。所述可调谐光学滤波器12通带带宽为0.25纳米，调谐范围在1495 ~ 1605纳米之间，覆盖完整的光学频率梳11输出光谱，可以选择光源光谱范围内的任意吸收谱线用于气体检测。

所述光纤分束器2用于将所述窄带探测光平均分为两束光。

所述双通道光路结构3用于将所述两束光于两个通道传输，分别输出参考光和测量光。所述双通道光路结构3包含参考通道与测量通道，所述参考通道中设置有光学衰减器31，所述测量通道中设置有气体吸收池32。

所述两束光通过两个通道传输后分别传输原始平均功率相等、相位同步的两束光 脉冲，对于某一特定中心波长

的窄带探测光，初始脉冲强度分别为

、

， 有

。经所述光学衰减器31和所述气体吸收池32传输后的透射脉冲强度 分别为

、

。

采用所述光学衰减器31的目的，是在无样品吸收的背景条件下，通过衰减所述参 考通道的光强度，使得

，则

可作为实时背景信号，用于样品浓度计 算，避免由光源原始功率波动带来的测量噪声。

所述气体吸收池32是一种长光程样品容器，光信号可以通过光纤耦合的方式输入 输出。窄带探测光信号可在其内部传播一定的距离，一般可达几米至几十米，实现与目标气 体分子的长距离相互作用，以增强吸收信噪比，提高检测灵敏度。对于初始光强

，经 样品吸收后的透射光强

可以根据朗博-比尔定律表示为

，其中

为样品在波长

处的吸收截面，由分子 本身性质、温度、压强及所述窄带探测光的带宽决定，

、

分别代表目标样品浓度、吸收光 程。

此实例中，所述光学衰减器31可在240 ~ 2000纳米波长范围内实现0.1% ~ 98%的激光功率衰减，衰减程度可以0.1%的分辨率手动调节；所述长光程气体吸收池32采用空芯光子晶体光纤作为光和气相物质作用的通道，其长度为2米，导光模场和空气芯层截面接近100%重合，等效于2米的吸收光程，采用空间准直耦合方式的单模—空芯—单模光纤结构，损耗约30%。

所述光电检测模块4用于将所述参考光、所述参考光与所述测量光的差分信号分别转换成电信号。

所述光电检测模块4为平衡光电探测器41，用于根据所述参考光和所述测量光，分 别输出表征参考光强度的电信号、表征参考光与测量光强度差值的电信号。所述平衡光电 探测器41为高速光电探测器，响应带宽为几百兆赫兹，有正、负两个光信号输入端，分别接 收来自所述参考通道、测量通道的强度为

、

的光脉冲信号；有两个电信号输 出端，其中一个输出表征所述参考光强度的电脉冲信号，作为参考信号，其电压幅值

表示为

，另一个输出表征所述参考光与所述测量光强度差值的 电脉冲信号，作为差分吸收信号，其电压幅值

表示为

，

为所述平衡光电探测器41的光电转换系数。

此实施例中，所述平衡光电探测器41用于接收来自参考通道和测量通道的光信号，实施光电转换并输出参考信号和差分吸收信号，带宽200兆赫兹，带有光纤输入端口。

所述电信号处理模块5用于从所述电信号中提取幅值信息，得到表征目标气体浓度的信号；

所述电信号处理模块5包括双通道锁相放大器51，所述双通道锁相放大器51分别提取表征参考光强度的电信号、表征参考光与测量光强度差值的电信号的幅值信息，得到表征目标气体浓度的信号，其输出为两路直流信号。

所述双通道锁相放大器51的两个独立通道分别对两路输入脉冲信号进行锁相放 大，提取代表所述降频参考信号和降频差分吸收信号脉冲强度的直流信号

、

，有

、

，

代表由所述降频处理过程和所 述锁相放大过程带来的综合增益系数。此实施例中，所述双通道锁相放大器51的带宽为1兆 赫兹

参考图2，所述电信号处理模块5还包括射频信号源52和双通道混频器53，所述射频信号源52用于提供两路标准频率信号，通过所述双通道混频器53分别对所述光电检测模块4的输出的电信号进行拍频，拍频后再输入到所述双通道锁相放大器51。

所述射频信号源52与所述双通道混频器53为可选单元，适用于所述锁相放大器带宽小于光源的脉冲重复频率的情况，射频信号源52用于提供两路标准频率信号，通过双通道混频器53分别对所述平衡光电探测器41的两路输出信号进行拍频，完成降频处理，方便后续信号处理。

如果所述频率梳光源模块1的输出重复频率小于所述双通道锁相放大器51的带宽，则不需要所述参考信号和差分吸收信号的降频处理。

所述双通道混频器53具有两个独立的混频通道Ⅰ和Ⅱ，分别完成所述参考信号和差分吸收信号的降频，以便后续的电学信号处理。

所述参考信号和差分吸收信号的降频方式为：通过射频信号源52的两个独立通道 分别输出频率相等的两路射频方波信号，频率值为

，与所述频率梳光源模块1的输 出重复频率相差

，称为本振信号。所述两路本振信号分别通过所述双通道混频器53的通 道Ⅰ、通道Ⅱ与所述参考信号、差分吸收信号产生拍频，获得频率为差频

的降频参考信号 和降频差分吸收信号。

此实施例中，在此所述双通道混频器53用于双通道电信号拍频，即利用来自所述射频信号源52的标准频率信号对高频检测信号进行降频处理，带宽500兆赫兹。

所述计算模块6用于根据所述表征目标气体浓度的信号，计算目标气体浓度。

所述计算模块6可以是计算机或单片机等，可以完成所述锁相放大过程所得直流 信号

、

的实时采集、数据处理和分析、系统运行流程控制。

所述计算模块6接收所述直流信号

、

的采集幅值，根据需要可进行 数据平滑处理以减小噪声，然后利用两组数据计算出目标气体样品的浓度，计算原理如下：

所述直流信号

、

的幅值分别表征所述测量通道的光信号在被气体 吸收之前的初始强度和由气体吸收造成的衰减强度。其中由气体吸收造成的衰减强度与测 量样品的浓度之间有确定的数值对应关系，因此可用于直接计算目标样品浓度；而初始强 度则可以作为零样品参考信号，对计算结果进行归一化而消除光源初始光强波动带来的测 量不准确性。

以所述直流信号

、

幅值的比值作为传感变量，通过系统标定获得 的数值计算公式即可计算出检测浓度，具体理论推导如下：

对于吸收谱线中心波长为

的气体样品，所述参考光和测量光在所述双通道光路 结构3中传输过后，在波长

处的光强关系，有：

得出所述平衡光电探测器41输出的两路电信号的电压幅值

、

比值 为：

对于光谱学痕量气体传感应用，通常存在条件：吸光度

，上式可简 化为：

进一步得到经所述降频处理及锁相放大处理后的直流信号

、

比值 为：

得出目标气体样品浓度

与所述计算模块6接收到的两组数据比值呈线性关系， 令传感

，则有：

在实际系统中，由于噪声的存在，所述目标气体样品浓度

与所述传感变量

的 关系可由一次函数表示：

其中

、

为针对波长

处气体组分1吸收谱线的浓度计算系数，通过气体组分1 的多个不同浓度样品进行系统标定而获得，并存入所述计算模块6作为固定参数，后续可被 调用。

以上所述目标气体样品浓度计算原理，为基于吸收谱线中心位于波长

处的气体 组分1推导，对于气体组分2，3，……n的吸收谱线中心波长

，

，……

，同样适用，对应 的所述浓度计算系数

、

，

、

，……

、

均通过标定获得后存入所述计算模块6作 为固定参数。

本发明实施例还提供一种多组分气体检测系统的检测方法，包括：

步骤1）通过所述频率梳光源模块1，由所述可调谐光学滤波器12选择所述光学频率梳11在预定波长处的输出模式作为窄带探测光；

步骤2）通过所述光纤分束器2将所述窄带探测光平均分为两束，分别于双通道光路结构3中的两个通道传输，输出参考光和测量光；

步骤3）通过光电检测模块4将所述参考光、所述参考光与所述测量光的差分信号分别转换成电信号；

步骤4）通过电信号处理模块5从所述电信号中提取幅值信息，得到表征目标气体浓度的信号；

步骤5）通过计算模块6根据所述表征目标气体浓度的信号，计算目标气体浓度。

进一步地，参考图3，该检测方法包括单一组分测量和多组分准同步测量两种工作模式，其中：

A）在单一组分高速测量模式下，设定目标气体组分，完成所述可调谐光学滤波器12的通带设置后，执行步骤2）-步骤5），得到目标气体浓度；

B）在多组分准同步测量模式下，根据不同组分气体吸收波长，改变所述可调谐光学滤波器12的通带，实现窄带探测光波长与不同组分吸收峰的对准，对于其中的每一种目标组分，执行步骤2）-步骤5）；循环所述可调谐光学滤波器12的不同通带设置，通过窄带探测光波长与不同组分吸收峰的时分复用对准，实现多组分气体的准同步测量。

所述单一组分高速测量模式面向对时间分辨率要求较高的应用场景，能够在单一组分测量状态下达到最高的检测值刷新率。

所述多组分准同步测量模式面向需要多组分气体同时检测的应用场景。

在二氧化碳单一组分高速测量实例中，CO₂分子在6359.96 cm^-1处的单支吸收谱线在常温常压下半高全宽约0.05纳米，整个线型谱宽约0.25纳米，与可调谐光学滤波器12带宽匹配。如附图4，基于该谱线的CO₂气体检测流程包括如下步骤：

步骤S01：计算模块6通过串口向可调谐光学滤波器12发送命令，设置通带中心波长为1572.34纳米，对应6359.96 cm^-1处的CO₂吸收谱线，即设定目标组分为CO₂；

步骤S02：光纤分束器2将可调谐光学滤波器12输出的窄带探测光平均分为两束，分别经光学衰减器31和长光程气体吸收池32传输；

步骤S03：光学衰减器31和长光程气体吸收池32分别输出的参考光和测量光被平衡光电探测器41接收；

步骤S04：平衡光电探测器41输出频率为20兆赫兹的电子学脉冲参考信号和差分吸收信号；

步骤S05：射频信号源52输出两路独立的19兆赫兹方波，通过双通道混频器53分别与参考信号和差分吸收信号拍频，将二者的强度信息由20兆赫兹高频脉冲转移至1兆赫兹的频率成分中；

步骤S06：双通道锁相放大器51采用1兆赫兹的参考信号分别提取双通道混频器53的两路输出信号中1兆赫兹频率成分的幅值；

步骤S07：计算模块6可通过数据采集卡7以2 MSa/s的采样率采集双通道锁相放大器51输出的两路直流信号，将幅值通过USB接口传输至计算模块6；

步骤S08：计算模块6接收双通道锁相放大器51输出的两路直流信号的幅值，每100个采样点取一次平均值以滤除高频噪声，再将来自参考信号和差分吸收信号的两个幅值相除，根据事先采用标准气体样品标定获得的浓度计算公式计算出CO₂浓度值并显示和存储，此时系统的理论积分时间为50微秒，实际则因包含计算模块6的计算运行时间而稍长。

以上，由于双通道锁相放大器51的带宽不足以直接处理频率为20兆赫兹的信号，因此引入射频信号源52和双通道混频器53，将信号降频而变得容易处理；由于双通道锁相放大器51输出的表征浓度的信号为直流模拟信号，因此所述检测方法的时间分辨率取决于数据采集卡7的采样率，在本实施例中若不采用数据平均，可以实现200万次/秒的浓度数据刷新率，即0.5微秒的时间分辨率。以上实验说明这种不需要完整还原光谱形状的频率梳光谱气体传感方法，具有明显的快速响应优势。

二氧化碳、乙炔、水蒸气、氨气四种目标气体的多组分准同步测量实例中，二氧化碳（CO₂，6359.96 cm^-1）、乙炔（C₂H₂，6529.17 cm^-1）、水蒸气（H₂O，6541.29 cm^-1）、氨气（NH₃，6612.73 cm^-1）四种目标气体吸收谱线均位于所述光学频率梳11的光谱范围内，参考图5，该检测流程包括如下步骤：

步骤S11：采用多组分气体准同步测量模式；

步骤S12：计算模块6向可调谐光学滤波器12发送串口命令，设置通带于CO₂吸收谱线处，即设定目标组分为CO₂，延时0.1秒后，以1 MSa/s的速率接收数据采集卡7上传的数据并将每1000组数据取平均，根据事先通过标定获得的浓度计算公式计算出CO₂浓度值并显示和存储，该过程共刷新10次浓度；

步骤S13：类似步骤S12所述，设定目标组分为C₂H₂，进行C₂H₂浓度值的检测；

步骤S14：类似步骤S12所述，设定目标组分为H₂O，进行H₂O浓度值的检测；

步骤S15：类似步骤S12所述，设定目标组分为NH₃，进行NH₃浓度值的检测，然后返回步骤S12，循环运行程序。

根据上述四个气体组分的自动轮流检测程序运行流程，得出约每0.5秒完成一次所有组分的浓度检测值输出，说明了通过将可调谐光学滤波器12的控制以及各检测步骤的控制，可以良好地实现基于光学频率梳11的多组分气体检测。在该过程中，组分检测的同步性主要取决于可调谐光学滤波器12的通带切换及稳定输出时间。

与现有技术相比，本发明具有以下显著优势：

本发明所提出的系统未涉及空间光路结构、完整光谱线型获取过程和光信号时域干涉过程，系统内各单元之间仅通过单模光纤和电信号线连接，具备系统简单、抗干扰能力强、稳定性好、成本低的特点。

所述系统充分利用了光学频率梳11超宽光谱特性，结合可调谐滤波器实现窄线宽探测光信号的波长调谐；采用直流信号幅度作为传感量，通过高速数据采集实现高时间分辨率检测；通过长光程气体吸收池32实现高灵敏度吸收探测。整体具备多组分、快速响应、高灵敏的特点。

通过相应系统的设置，可以实现工作模式切换及响应时间等工作参数调整，具备配置灵活，高效的特点。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种多组分气体检测系统，其特征在于，包括：

频率梳光源模块，包括光学频率梳和可调谐光学滤波器，由所述可调谐光学滤波器选择所述光学频率梳在预定波长处的输出模式作为窄带探测光；

光纤分束器，用于将所述窄带探测光平均分为两束光；

双通道光路结构，用于将所述两束光于两个通道传输，分别输出参考光和测量光；

光电检测模块，用于将所述参考光、所述参考光与所述测量光的差分信号分别转换成电信号；

电信号处理模块，用于从所述电信号中提取幅值信息，得到表征目标气体浓度的信号；及

计算模块，用于根据所述表征目标气体浓度的信号，计算目标气体浓度。

2.根据权利要求1所述的一种多组分气体检测系统，其特征在于，所述可调谐光学滤波器为具有覆盖所述光学频率梳完整输出光谱的宽工作波长范围、与目标气体分子单支吸收谱线宽度相近的窄带通带宽的光学滤波器。

3.根据权利要求1所述的一种多组分气体检测系统，其特征在于，所述双通道光路结构包含参考通道与测量通道，所述参考通道中设置有光学衰减器，所述测量通道中设置有气体吸收池。

4.根据权利要求1所述的一种多组分气体检测系统，其特征在于，所述光电检测模块为平衡光电探测器，用于根据所述参考光和所述测量光，分别输出表征参考光强度的电信号、表征参考光与测量光强度差值的电信号。

5.根据权利要求4所述的一种多组分气体检测系统，其特征在于，所述平衡光电探测器为高速光电探测器。

6.根据权利要求1所述的一种多组分气体检测系统，其特征在于，所述电信号处理模块包括双通道锁相放大器，所述双通道锁相放大器分别提取表征参考光强度的电信号、表征参考光与测量光强度差值的电信号的幅值信息，得到表征目标气体浓度的信号，其输出为两路直流信号。

7.根据权利要求1所述的一种多组分气体检测系统，其特征在于，所述电信号处理模块还包括射频信号源和双通道混频器，所述射频信号源用于提供两路标准频率信号，通过所述双通道混频器分别对所述光电检测模块输出的电信号进行拍频，拍频后再输入到所述双通道锁相放大器。

8.一种检测方法，应用于权利要求1-7任一项所述的一种多组分气体检测系统，该检测方法包括：

步骤1）通过所述频率梳光源模块，由所述可调谐光学滤波器选择所述光学频率梳在预定波长处的输出模式作为窄带探测光；

步骤2）通过所述光纤分束器将所述窄带探测光平均分为两束，分别于双通道光路结构中的两个通道传输，输出参考光和测量光；

步骤3）通过光电检测模块将所述参考光、所述参考光与所述测量光的差分信号分别转换成电信号；

步骤4）通过电信号处理模块从所述电信号中提取幅值信息，得到表征目标气体浓度的信号；

步骤5）通过计算模块根据所述表征目标气体浓度的信号，计算目标气体浓度。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，该检测方法包括单一组分测量和多组分准同步测量两种工作模式，其中：

A）在单一组分高速测量模式下，设定目标气体组分，完成所述可调谐光学滤波器的通带设置后，执行步骤2）-步骤5），得到目标气体浓度；

B）在多组分准同步测量模式下，根据不同组分气体吸收波长，改变所述可调谐光学滤波器的通带，实现所述窄带探测光波长与不同组分吸收峰的对准，对于其中的每一种目标组分，执行步骤2）-步骤5）；循环所述可调谐光学滤波器的不同通带设置，通过所述窄带探测光波长与不同组分吸收峰的时分复用对准，实现多组分气体的准同步测量。

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