CN114965284A - 基于光热光谱移频干涉的光纤分布式气体检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种基于光热光谱移频干涉的光纤分布式气体检测系统及方法，该系统包括DFB激光器、第一光纤放大器、隔离器、第一滤波器、窄带非相干光源、第二光纤放大器、第二滤波器、光环行器、耦合器、光电探测器、声光移频器、空心光子带隙光纤、单模光纤、光纤布拉格光栅、信号发生器和计算机。方法为：探测光经过一臂带有移频器的马赫曾德干涉仪后进入传感单元，并构成直线型Sagnac干涉仪；打孔的空心光子带隙光纤作为气体池与单模光纤熔接串联复用，且单模光纤的入光端装有对探测光低反、对激发光透射的光纤布拉格光栅；气体的浓度和相位的变化幅度成正比，通过反演可以得到每个传感单元内的气体浓度，构成新的光纤分布式微量气体检测系统。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术和信号处理领域，尤其涉及到近红外光热光谱技术、直线型Sagnac移频干涉技术、单模光纤和空心光子带隙光纤熔接技术和高速全光谱解调技术。
背景技术
随着经济的迅速发展，以及工业化和城市化进程的不断推进，环境污染、工业与城市安全问题日益凸显。为了响应国家碳达峰、碳中和的远景目标，需要对温室气体进行灵敏、精准、实时的组网监控。近些年，燃气泄露引发的爆炸事故频出，已严重危害了居民的生命安全。与此同时，煤矿中的瓦斯和煤层氧化过程中产生的易燃气体，炼化区内的可燃氢烃类和有毒气体，以及油田开采区域内的有毒有害气体等都是生产安全的重要隐患。针对这些严重危害居民和生产安全的微量气体进行高灵敏度的实时检测，有助于精准分析和超前预警。文献Dudzińska A.Investigation of adsorption and desorption of acetyleneon hard coal samples from Polish mines[J].International journal of coalgeology,2014,128: 24-31、Yin X,Dong L,Wu H,et al.Highly sensitivephotoacoustic multicomponent gas sensor for SF 6decomposition onlinemonitoring[J].Optics Express,2019,27(4): A224-A234、Jiang J,Wang Z,Han X,etal.Multi-gas detection in power transformer oil based on tunable diode laserabsorption spectrum[J].IEEE Transactions on Dielectrics and ElectricalInsulation,2019,26(1):153-161、Baiense K M S M, Linhares F G,Inácio C T,etal.Photoacoustic-based sensor for real-time monitoring of methane and nitrousoxide in composting[J].Sensors and Actuators B:Chemical, 2021,341:129974、YeW,Zheng C,Sanchez N P,et al.Thermal effects of an ICL-based mid-infrared CH4sensor within a wide atmospheric temperature range[J]. Infrared Physics&Technology,2018,89:299-303中都提到了对微量气体进行高灵敏度的实时检测的必要性。在温室气体的区域监测和油井、煤矿安全监测这些应用场景中，需要对长距离或扩展区域的气体浓度进行实时检测，而在天然气管道泄漏监测中不仅需要长距离的检测，还需要提供泄露位置的信息。从这些需求中可以看出，迫切需要一种可以实现对微量气体进行实时、长距离、分布式检测的传感器。因此，高灵敏度的微量气体分布式检测技术的研究具有重要的科学意义和应用价值。
微量气体的检测手段很多，文献Liu H,Zhang L,Li K H H,et al.Microhotplates for metal oxide semiconductor gas sensor applications—Towardsthe CMOS-MEMS monolithic approach[J].Micromachines,2018,9(11):557和 SchwandtC,Kumar R V,Hills M P.Solid state electrochemical gas sensor for thequantitative determination of carbon dioxide[J].Sensors and Actuators B:Chemical, 2018,265:27-34提到有哪些微量气体的检测方法，传统的检测方法主要有质谱法、半导体传感法、电化学传感法，然而这些方法普遍存在灵敏度不高、交叉干扰、寿命短等问题，更难实现分布式测量。与非光学的检测手段相比较，文献Du Z,Zhang S,Li J,etal.Mid-infrared tunable laser-based broadband fingerprint absorptionspectroscopy for trace gas sensing:a review[J].Applied sciences,2019, 9(2):338和Kwak D,Lei Y,Maric R.Ammonia gas sensors:A comprehensive review[J].Talanta,2019,204:713-730中凸显出光谱检测方法具有灵敏度高、选择性好和响应快速等优点，而且光谱检测经常使用的近红外波段是大多数中小气体分子的特征吸收带，同时也是光纤的传输窗口区域。光纤在任意位置检测事件的能力是光纤传感技术的一种独特优势，气体的光谱检测技术与光纤传感技术相结合，可以实现对微量气体的高灵敏度分布式测量，而且特别适合在有毒有害、易燃易爆、强电磁干扰等恶劣环境下应用。在众多的光谱技术中，直接吸收光谱法和光热光谱法是最具潜力的能与光纤传感技术无缝结合实现气体分布式检测的两种方法。
光热光谱法是一种测量气体光吸收所引起的热效应的高灵敏度光谱分析方法，相对于直接吸收法，光热光谱法并不直接测量透射光谱的变化，是一种无背景的间接吸收光谱技术。随着激光光源、光热探测方式、样品池和信号探测及处理等技术的发展，使得光热光谱技术也得到了迅速的推进。近些年，全光化的光热光谱检测技术研究成为主导，尤其是微纳结构光纤的应用，使得光源、样品池、探测单元之间的柔性光连接成为可能，减小了系统的体积、简化了光路对准的难度，推动了光热光谱技术向全光纤化、实用化方向发展。正因如此，光热光谱法也成为了微量气体全光纤分布式检测中的首选技术方案。
本发明为了发展高灵敏度全光纤分布式气体检测技术，进一步提高微量气体的检测灵敏度和提升测量距离。提出一种基于光热光谱的移频干涉光纤分布式气体检测技术方案：该发明在传统检测方法的基础上，采用波长调谐的连续波分布反馈(DFB)激光器作为激发光源，采用窄带非相干光作为探测光源，创新性地结合了分布反射的直线型Sagnac干涉仪，该干涉仪上接入声光移频器，通过移频器的快速频率扫描，获得不同传感链路长度反射回来的不同频率的干涉条纹，再反演得到不同传感HC-PBF的确定位置，实现了对光热信号产生的位置的高空间分辨率定位。
首次将线性移频干涉与高速全光谱解调技术相结合，通过快速移频扫描和高速采集获得Sagnac干涉仪中的不同频率的动态干涉光谱，再利用高速全光谱解调算法对每个动态光谱进行解调，得到由不同点光热信号引起的干涉仪中相位周期性变化的动态绝对解调，再反演各点所测气体的浓度。采用窄带非相干光作为探测光源，同带宽、低反射率的光纤布拉格光栅作为探测光反射器件，非相干光降低了HC-PBF(空心光子带隙光纤)内背向反射引发的相干噪声，同时较短的相干长度也消除了反射点之间F-P干涉噪声，光纤布拉格光栅则在可以保证射部分探测光的同时允许激发光低损传输，降低了激发光的反射损耗。实现对传感光纤上不同测量点的高空间分辨率、高灵敏度的气体浓度测量。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于光热光谱移频干涉的光纤分布式气体检测系统及方法。本发明的技术方案如下：
一种基于光热光谱移频干涉的光纤分布式气体检测系统，其包括：激发单元、探测单元及传感单元，所述激发单元采用波长调谐的连续波分布反馈激光器作为激发光源；所述探测单元采用窄带低相干光源作为探测光源，所述传感单元采用带有空心光子带隙光纤的分布反射直线型Sagnac干涉仪作为光热信号传感单元，引入移频干涉空间定位机制，通过移频器的快速频率扫描，获得不同传感链路长度反射回来的不同频率的干涉条纹，再反演得到通入HC-PBF空心光子带隙光纤中气体的确定位置，实现了对光热信号产生的位置的高空间分辨率定位；通过快速移频扫描和高速采集获得Sagnac干涉仪中的不同频率的动态干涉光谱，再利用高速全光谱解调算法对每个动态光谱进行解调，得到由不同点光热信号引起的干涉仪中相位周期性变化的动态绝对解调，再反演各点所测气体的浓度。
进一步的，所述激发单元包括激发光源(1)、第一光纤放大器(2)、隔离器(3)及第一滤波器(4)；所述激发光源(1)与第一光纤放大器(2)相连接，第一光纤放大器(2)通过隔离器(3)与第一滤波器(4)依次相连接；其中激发光源(1)采用波长调制的连续波分布反馈激光器，串联第一光纤放大器(2)，隔离器(3)用于隔离不相关的噪声信号，再经第一滤波器(4)将无用信号进行滤除，经过波分复用器(19)传值传感链路上，与传感链路上HC-PBF中通入的待测气体发生反应，从而产生光热信号。其具有高饱和输出功率，可以提升系统的检测灵敏度，消除伴随的光强度调制，降低由于HC-PBF(空心光子带隙光纤)吸收调制的光强而产生的同频背景噪声。
进一步的，所述探测单元包括探测光源(5)、第二光纤放大器(6)、第二滤波器(7)、光环形器(8)、第一光纤耦合器(9)、偏振控制器(10)、声光移频器(11)、第二光纤耦合器(12)、加法器(13)、信号发生器(AFG3252,Tektronix) (14)、数据采集卡(NI USB-6531)(15)、锁相环(16)、平衡探测器(17)、计算机(18)和波分复用器(19)；其中探测光源(5)与第二光纤放大器(6) 连接，第二光纤放大器(6)与第二滤波器(7)连接，用于对探测光源发出的信号进行滤波放大，后与光环形器(8)连接，对光路进行选择，光环形器(8) 与第一光纤耦合器(9)连接，第一光纤耦合器(9)分别与偏振控制器(10) 和声光移频器(11)分两路连接，分成两路，使两路信号产生相位差，最后汇集到第二光纤耦合器(12)，再分多路传回第一光纤耦合器(9)处发生干涉，总共有四路信号，最后只选取频率相同的两路信号进行信号处理；而信号发生器(14)发射出正弦波传至加法器(13)，发射的正弦波信号同时经锁相环(16) 和数据采集卡(15)，传送锯齿波到加法器(13)，从光环形器(8)和发生干涉后的信号经第一光纤耦合器(9)传至平衡探测器(17)进行滤波处理，总的干涉信号是检测幅度和相位的关键信号，经由数据采集卡(15)采集数据后由计算机(18)进行数据处理。
进一步的，所述传感单元包括打孔的空心光子带隙光纤与单模光纤，将两种光纤进行分段熔接，并在单模光纤的一端配置低反射率的FBG(光纤布拉格光栅)作为探测光的反射器件。
进一步的，所述探测单元采用的结构是带分布反射的直线光纤复合构成的直线型Sagnac干涉仪，传感部分为单根直线光纤，Sagnac干涉仪属于平衡干涉仪，两臂的光程差为零，采用超辐射发光二极管SLD与光纤放大器串联组合作为探测光源；为了消除偏振效应，在光滤波器的输出端加入光纤消偏器，Lyot 消偏器适用对谱宽大于1nm的宽谱光源消偏器，在MZI干涉仪中的一臂上加入可变频的声光移频器AOFS。
一种基于任一项所述系统的检测方法，其包括以下步骤：
采用波长调谐的连续波分布反馈DFB激光器作为激发光源，采用窄带非相干光作为探测光源，结合分布反射的直线型Sagnac干涉仪，通过移频器的快速频率扫描，获得不同传感链路长度反射回来的不同频率的干涉条纹；再反演得到不同传感HC-PBF的确定位置，实现了对光热信号产生的位置的高空间分辨率定位；
将线性移频干涉与高速全光谱解调技术相结合，通过快速移频扫描和高速采集获得Sagnac干涉仪中的不同频率的动态干涉光谱，再利用高速全光谱解调算法对每个动态光谱进行解调，得到由不同点光热信号引起的干涉仪中相位周期性变化的动态绝对解调，再反演各点所测气体的浓度。
进一步的，所述反演得到不同传感HC-PBF的确定位置，实现了对光热信号产生的位置的高空间分辨率定位；通过在直线型Sagnac干涉仪上装入声光移频器，使探测光通过光耦合器分成两路光信号，一路信号正常通过，一路信号经声光移频器发生频移，频移的变化反映在相位上的变化，相位的变化通过接收光强的变化来反映，相位主要由其光程差即传感链路上不同位置的气体探测反映，最后对光强的接收并解调处理，就能将其具体位置确定，且采用的HC-PBF 与单模光纤分段熔接的方式增强了探测位置的高空间分辨率。
进一步的，所述利用高速全光谱解调算法对每个动态光谱进行解调，得到由不同点光热信号引起的干涉仪中相位周期性变化的动态绝对解调，所述利用高速全光谱解调算法对每个动态光谱进行解调，得到由不同点光热信号引起的干涉仪中相位周期性变化的动态绝对解调，能够具体探测出其气体的位置信息和浓度信息，其特征在于，包括以下步骤：
在光热光谱的移频干涉光纤分布式微量气体检测系统中，移频干涉的具体实现方式如下：假设一束频率ν的光束从第一耦合器C1发出，光场分为两个分量，每个分量沿着不同的路径(A或B)。路径B中的场分量经过移频器后发生了一定的频率偏移f，而A路径中的场分量会以它原来的频率振荡。这两个分量在第二个耦合器处重新组合，并继续传播，直到到达反射器R。然后两个反射分量在A和B处再次分开。
S1：通过在直线型Sagnac干涉仪上装入声光移频器，使探测光通过光耦合器分成两路光信号，一路信号正常通过，一路信号经声光移频器发生频移，频移的变化反映在相位上的变化，相位的变化通过接收光强的变化来反映，接收到的光强I为I∝|EAA+EBB+EAB+EBA|2，其中四个场分量返回C1，如表1所示，分别是EAA、EAB、EBA、EBB，它们的频率分别是ν、ν+f、ν+f、ν+2f。
S2：确定相位差，再将其中的高频信号用平衡探测器滤除，最终只有EAB与EBA的直流干涉信号存在。由于EBA频率移早于EAB，当它们在C1干涉时，两者之间就会有相位差，相位差即为
c是光速，n是光纤的有效模折射率，L是C2到反射器R的距离，La是路径A中的光纤长度， Lb是移频器到C2的光纤长度，Lc为C1与移频器之间的光纤长度。
S3：端口1和端口2的输出强度是反相的
的正弦函数。由光强信号反演相位和位置信息，差分输出可以加强条纹的对比度，并可以表示为：
∝κ2Rcos[2πFf]，式中к2与C2和反射点之间的两次传输损耗有关，R为反射点的反射率。ΔI是振荡频率F＝n(2L+La+Lb-Lc)/c 下f的正弦函数，F与干涉仪的路径长度差成正比。
S4：由光强信号反演不同位置，确定不同相位和不同幅度信号，假设沿着光纤有多个反射点，且各个反射点距离C2的距离分别是L1、L2、...、LN，通过线性扫描f，可以得到不同频率Fi正弦函数微分输出的和，因为每个反射点的距离Li都是唯一的，
式中， Ai是第i个反射器反射的光的强度，Fi＝n(2L+La+Lb-Lc)/c。
S5：最后通过解调接收到的光强信号确定探测气体的具体位置Li和浓度，位置对应Li，浓度对应Ai。通过线性扫频和对差分输出进行傅里叶变换(FT)，由于反射光谱是位置的函数，不同位置反射光谱具有不同频率的傅里叶变换谱，从而可以从频率分量中确定每个反射点的位置，
其中，Δf是扫频范围，tsw是扫频所用的时间。当长度为Li的传感链路上有HC-PBF作为传感光纤时，HC-PBF中的待测气体吸收激发光能量产生同频的光热信号，C2到反射点的光程可以表示为nLid+(no+Δn)Lih(Lid表示C2到各个HC-PBF端点的距离，Lih表示HC-PBF端点到反射点的距离，no表示纤芯空气折射率，Δn表示由于光热信号导致的折射率变化)。只要移频变化一个周期的速度足够快(理论上移频扫描的频率大于光热信号频率的2倍以上)，就可以认为在一个扫描周期内HC-PBF 中的折射率是不变的。这样，通过高速采集各测量点反射回来的干涉光谱，再经过傅里叶变换，就可以获得动态的各点干涉谱的频谱信息。可以观察到在有激发光时，各干涉谱的频谱峰值位置是以无激发时干涉谱频谱原始位置为中心的振动信号，振动频率与泵浦光调制频率相同，振动的幅度与HC-PBF中的气体浓度成正比。
简单的来说，测量点的位置是通过不同测量点反射回来的干涉光谱的傅里叶变换后得到的不同频率来区分，并且可以定量计算出确定位置；测量点的光热信号幅度是通过获取不同测量点反射回来的干涉光谱的傅里叶变换后的峰值位置的摆动幅度来确定的。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明的创新主要在S1-S5的配合，为本发明气体的相位和幅度实现解调，从而实现具体位置和浓度的探测。
权利要求4所配置的布拉格光栅，与窄带非相干光源同带宽、低反射率的光纤布拉格光栅作为探测光反射器件，实现了对不同位置光的部分反射，而对激发光则是低损耗的投射。
权利要求5中直线型的Sagnac干涉仪中的两路信号光经历的光路完全相同，因此可以避免环境中温度等缓变参量对光热信号的影响，并且与以HC-PBF作为F-P腔的传感机制相比，在Sagnac干涉仪中，HC-PBF的长短不影响干涉条纹，所以随着传感距离的增加，适当的加长后续HC-PBF的长度，以此来补偿激发光功率下降带来的后面HC-PBF传感单元中检测灵敏度降低的现象；利用声光移频器实现探测光移频的快速线性扫描，结合高速光谱解调技术，可以实现对每个传感单元中微量气体浓度的高灵敏度、大动态范围的同时解调。
权利要求6中采用波长调制的连续波激发的光热信号具有更好的信噪比，窄带非相干光源代替激光器作为探测光可以显著降低系统的相干后向散射/反射噪音，减少HC-PBF中多模干涉对信噪比的影响，提高了检测灵敏度，而且较短的相干长度也消除了反射点之间的F-P干涉噪声。
附图说明
图1是本发明提供的系统检测框图，其中包括激发单元、探测单元和传感单元。
图2是直线型Sagnac仪上发生移频干涉的主要原理，图2(a)是单点位置发生移频干涉的原理图，图2(b)是多点发生移频干涉的原理图，能够确定系统检测气体的具体位置和浓度。
图3是数字虚拟锁相的原理图，计算机能够将光热信号的测量值与同频率的参考信号进行实时互相光运算，能够进一步提高系统的信噪比。
具体实施方式
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、详细地描述。所描述的实施仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
如图1所示，一种基于光热光谱移频干涉的光纤分布式气体检测系统，其包括：激发单元、探测单元及传感单元，所述激发单元采用波长调谐的连续波分布反馈激光器作为激发光源；所述探测单元采用窄带低相干光源作为探测光源，所述传感单元采用带有空心光子带隙光纤的分布反射直线型Sagnac干涉仪作为光热信号传感单元，引入移频干涉空间定位机制，通过移频器的快速频率扫描，获得不同传感链路长度反射回来的不同频率的干涉条纹，再反演得到不同传感HC-PBF的确定位置，实现了对光热信号产生的位置的高空间分辨率定位；通过快速移频扫描和高速采集获得Sagnac干涉仪中的不同频率的动态干涉光谱，再利用高速全光谱解调算法对每个动态光谱进行解调，得到由不同点光热信号引起的干涉仪中相位周期性变化的动态绝对解调，再反演各点所测气体的浓度。具体包括以下步骤：
S1：用DFB激光器激发待测气体产生光热信号。
在步骤S1中，如图1所示，激发光源1与第一光纤放大器2相连接，第一光纤放大器2通过隔离器3与第一滤波器4依次相连接；其中激发光源1采用波长调制的连续波分布反馈激光器，串联第一光纤放大器2，隔离器3用于隔离不相关的噪声信号，再经第一滤波器4将无用信号进行滤除，经过波分复用器 19传至传感链路上，与传感链路上HC-PBF中通入的待测气体发生反应，从而产生光热信号。
S2：用SLD光源作为探测光产生干涉条纹。
在步骤S2中，如图1所示，其中探测光源5与第二光纤放大器6连接，第二光纤放大器6与第二滤波器7连接，用于对探测光源发出的信号进行滤波放大，后与光环形器8连接，对光路进行选择，光环形器8与第一光纤耦合器9 连接，第一光纤耦合器9分别与偏振控制器10和声光移频器11分两路连接，分成两路，使两路信号产生相位差，最后汇集到第二光纤耦合器12，经波分复用器19后传光至传感链路中，与不同段的HC-PBF中的气体反应之后，经布拉格光栅将光反射回来，分多路传回第一光纤耦合器9处发生干涉，总共有四路信号，最后只选取频率相同的两路信号进行信号处理。在光热光谱的移频干涉光纤分布式微量气体检测系统中，其中所涉及到的移频干涉的原理如图2a所示。假设一束频率ν的光束从端口1送入耦合器C1。光场分为两个分量，每个分量沿着不同的路径(A或B)。路径B中的场分量经过移频器后发生了一定的频率偏移f，而A路径中的场分量会以它原来的频率振荡。这两个分量在第二个耦合器处重新组合，并继续传播，直到到达反射器R。然后两个反射分量在A和B处再次分开，并最后在C1处发生干涉。由光强信号反演不同位置，确定不同相位和不同幅度信号，假设沿着光纤有多个反射点，如图2(b)所示，各个反射点距离 C2的距离分别是L1、L2、...、LN，通过线性扫描f，可以得到不同频率Fi正弦函数微分输出的和，因为每个反射点的距离Li都是唯一的。
S3：用HC-PBF进行传感，SMF进行传光。
在步骤S3中，待测气体通过小孔通入HC-PBF中，激发光激发气体产生光热信号，布拉格光栅实现对激发光的低损耗透射。探测光经过探测单元后进入传感单元，与激发光几乎同时进行，探测光经过HC-PBF，与其中的气体发生充分接触后，经布拉格光栅发生部分反射。SMF会继续将激发光和探测光进行传输，实现不同位置气体信号的测量。
S4：对干涉条纹进行解调。
在步骤S4中，对从传感链路中反射回来的周期性探测光干涉信号进行调制解调，先对带有光热信号的干涉谱进行快速傅里叶变换，再通过Bauman频率估计粗略确定频谱峰值所在位置，最后利用全相位信息精确确定峰值位置，过程中用小波去噪的方法对探测到的干涉光谱进行降噪处理。如图3所示，锁相环产生的高频触发信号对数据采集卡DAQ进行同步采样控制，使得解调光热信号的频率与光调制频率完全相同；计算机再将光热信号的测量值与同频率的参考信号进行实时互相光运算，实现虚拟数字锁相放大功能，从而进一步提高系统的信噪比。
综上所述，本发明研究了一种基于光热光谱的移频干涉光纤分布式微量气体检测技术方案：采用波长调制的连续波分布反馈DFB激光器作为激发光源，窄带非相干光源作为探测光源，带有HC-PBF的分布反射直线型Sagnac干涉仪作为光热信号复用的感测单元，引入移频干涉频分复用机制，结合高速全光谱光热信号解调技术，实现对传感光纤上不同测量点的位置和气体浓度的高分辨率、高灵敏度的同时测量。
表1
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (7)
1.一种基于光热光谱移频干涉的光纤分布式气体检测系统，其特征在于，包括：激发单元、探测单元和传感单元，所述激发单元采用波长调谐的连续波分布反馈激光器作为激发光源；所述探测单元采用窄带低相干光源作为探测光源，所述传感单元采用带有空心光子带隙光纤的分布反射直线型Sagnac干涉仪作为光热信号传感单元，引入移频干涉空间定位机制，通过移频器的快速频率扫描，获得不同传感链路长度反射回来的不同频率的干涉条纹，再反演得到通入HC-PBF空心光子带隙光纤中气体的确定位置，实现了对光热信号产生的位置的高空间分辨率定位；通过快速移频扫描和高速采集获得Sagnac干涉仪中的不同频率的动态干涉光谱；利用高速全光谱解调算法对每个动态光谱进行解调，得到由不同点光热信号引起的干涉仪中相位周期性变化的动态绝对解调，再反演各点所测气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于光热光谱移频干涉的光纤分布式气体检测系统，其特征在于，所述激发单元包括激发光源(1)、第一光纤放大器(2)、隔离器(3)及第一滤波器(4)；所述激发光源(1)与第一光纤放大器(2)相连接，第一光纤放大器(2)通过隔离器(3)与第一滤波器(4)依次相连接；其中激发光源(1)采用波长调制的连续波分布反馈激光器，串联第一光纤放大器(2)，隔离器(3)用于隔离不相关的噪声信号，再经第一滤波器(4)将无用信号进行滤除，经过波分复用器(19)传至传感链路上，与传感链路上HC-PBF中通入的待测气体发生反应，从而产生光热信号，其具有高饱和输出功率，可以提升系统的检测灵敏度，消除伴随的光强度调制，降低由于HC-PBF空心光子带隙光纤吸收调制的光强而产生的同频背景噪声。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于光热光谱移频干涉的光纤分布式气体检测系统，其特征在于，所述探测单元包括探测光源(5)、第二光纤放大器(6)、第二滤波器(7)、光环形器(8)、第一光纤耦合器(9)、偏振控制器(10)、声光移频器(11)、第二光纤耦合器(12)、加法器(13)、信号发生器(14)、数据采集卡(15)、锁相环(16)、平衡探测器(17)、计算机(18)和波分复用器(19)；其中探测光源(5)与第二光纤放大器(6)连接，第二光纤放大器(6)与第二滤波器(7)连接，用于对探测光源发出的信号进行滤波放大，后与光环形器(8)连接，对光路进行选择，光环形器(8)与第一光纤耦合器(9)连接，第一光纤耦合器(9)分别与偏振控制器(10)和声光移频器(11)分两路连接，分成两路，使两路信号产生相位差，最后汇集到第二光纤耦合器(12)，经波分复用器(19)后传光至传感链路中，与不同段的HC-PBF中的气体反应之后，经布拉格光栅将光反射回来，再分多路传回第一光纤耦合器(9)处发生干涉，总共有四路信号，最后只选取频率相同的两路信号进行信号处理，再由信号发生器(14)发射出正弦波传至加法器(13)，发射的正弦波信号同时经锁相环(16)和数据采集卡(15)，传送锯齿波到加法器(13)，从光环形器(8)和发生干涉后的信号经第一光纤耦合器(9)传至平衡探测器(17)进行滤波处理，总的干涉信号是检测幅度和相位的关键信号，经由数据采集卡(15)采集数据后由计算机(18)进行数据处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于光热光谱移频干涉的光纤分布式气体检测系统，其特征在于，所述传感单元包括打孔的空心光子带隙光纤与单模光纤，将两种光纤进行分段熔接，并在单模光纤的一端配置低反射率的FBG光纤布拉格光栅作为探测光的反射器件。
5.根据权利要求1所述的一种基于光热光谱移频干涉的光纤分布式气体检测系统，其特征在于，所述探测单元采用的结构是带分布反射的直线光纤复合构成的直线型Sagnac干涉仪，传感部分为单模光纤，Sagnac干涉仪属于平衡干涉仪，两臂的光程差为零，采用超辐射发光二极管SLD与光纤放大器串联组合作为探测光源；为了消除偏振效应，在光滤波器的输出端加入光纤消偏器，Lyot消偏器适用对谱宽大于1nm的宽谱光源消偏器，在MZI干涉仪中的一臂上加入可变频的声光移频器AOFS。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用波长调谐的连续波分布反馈DFB激光器作为激发光源，采用窄带非相干光作为探测光源，结合分布反射的直线型Sagnac干涉仪，通过移频器的快速频率扫描，获得不同传感链路长度反射回来的不同频率的干涉条纹，实现了对光热信号产生的位置和浓度的高空间分辨率定位；
将线性移频干涉与高速全光谱解调技术相结合，通过快速移频扫描和高速采集获得Sagnac干涉仪中的不同频率的动态干涉光谱，再利用高速全光谱解调算法对每个动态光谱进行解调，得到由不同点光热信号引起的干涉仪中相位周期性变化的动态绝对解调，再反演各点所测气体的的位置和浓度。
7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述利用高速全光谱解调算法对每个动态光谱进行解调，得到由不同点光热信号引起的干涉仪中相位周期性变化的动态绝对解调，能够具体探测出其气体的位置信息和浓度信息，包括以下步骤：
S1：通过在直线型Sagnac干涉仪上装入声光移频器，使探测光通过光耦合器分成两路光信号，一路信号正常通过，一路信号经声光移频器发生频移，频移的变化反映在相位上的变化，相位的变化通过接收光强的变化来反映，接收到的光强I为I∝|EAA+EBB+EAB+EBA|2，其中四个场分量返回C1，分别是EAA、EAB、EBA、EBB，它们的频率分别是ν、ν+f、ν+f、ν+2f。
S2：确定相位差，再将其中的高频信号用平衡探测器滤除，最终只有EAB与EBA的直流干涉信号存在。由于EBA频率移早于EAB，当它们在C1干涉时，两者之间就会有相位差，相位差即为
c是光速，n是光纤的有效模折射率，L是C2到反射器R的距离，La是路径A中的光纤长度，Lb是移频器到C2的光纤长度，Lc为C1与移频器之间的光纤长度；
S3：由光强信号反演相位和位置信息，差分输出可以加强条纹的对比度，并可以表示为：
∝κ2Rcos[2πFf]，式中к2与C2和反射点之间的两次传输损耗有关，R为反射点的反射率。ΔI是振荡频率F＝n(2L+La+Lb-Lc)/c下f的正弦函数，F与干涉仪的路径长度差成正比；
S4：由光强信号反演不同位置，确定不同相位和不同幅度信号，假设沿着光纤有多个反射点，各个反射点距离C2的距离分别是L1、L2、...、LN，通过线性扫描f，可以得到不同频率Fi正弦函数微分输出的和，因为每个反射点的距离Li都是唯一的，
式中，Ai是第i个反射器反射的光的强度，Fi＝n(2L+La+Lb-Lc)/c；
S5：最后通过解调接收到的光强信号确定探测气体的具体位置Li和浓度，位置对应Li，浓度对应Ai，通过线性扫频和对差分输出进行傅里叶变换，由于反射光谱是位置的函数，不同位置反射光谱的具有不同频率的傅里叶变换谱，从而可以从频率分量中确定每个反射点的位置，
其中，Δf是扫频范围，tsw是扫频所用的时间。
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