CN115839928B - 一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置与方法，属于二氧化碳浓度检测技术领域，解决了现有技术缺少能够应用于检测二氧化碳浓度的偏振测量装置的问题。所述装置包括多角度入射装置、光路调制装置、激光扩束装置、大气环境装置、望远装置、激光接收装置和显示与数据处理装置；所述多角度入射装置与光路调制装置连接；所述光路调制装置分别与激光扩束装置和激光接收装置连接；所述激光扩束装置与大气环境装置连接；所述大气环境装置与望远装置连接；所述望远装置与激光接收装置连接；所述激光接收装置与显示与数据处理装置连接；所述显示与数据处理装置与多角度入射装置连接。

Description

一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置与方法

技术领域

本发明涉及二氧化碳浓度检测技术领域，具体涉及一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置与方法。

背景技术

二氧化碳是大气的重要组成部分，在自然界中二氧化碳含量丰富，有机物在分解、发酵、腐烂、变质的过程中，会释放二氧化碳，石油、天然气的燃烧过程会释放出二氧化碳，所有人类和动物的呼吸过程也会产生二氧化碳。随着二氧化碳浓度的提高，使原来合理水平温室效应发生了变化，气候开始逐渐转暖，因此，检测二氧化碳浓度有重要意义。

传统的二氧化碳浓度检测技术，一般是通过特定的浓度传感器，来获取二氧化碳浓度信息。基于偏振光的浓度检测技术是在传统光强检测技术基础上，通过在入射端和接收端加入偏振控制器件，将单一光强测量延伸到多维偏振矢量测量，能够获取测量对象更加丰富信息。在不同传输介质中，其红外偏振光传输特性相较于传统光强传输存在差异，通过某些偏振特性，能够有效的解决传统二氧化碳浓度测量的距离短和精度较低的问题。对于污染和气象的研究也是有价值的。

然而，偏振测量目前主要应用于目标检测和材料分析领域，测量对象主要为固态的器件或粒子。目前还没有能够应用于二氧化碳浓度检测的偏振测量装置。

综上，现有技术缺少能够应用于检测二氧化碳浓度的偏振测量装置。

发明内容

本发明解决了现有技术缺少能够应用于检测二氧化碳浓度的偏振测量装置的问题。

本发明所述的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置，所述装置包括多角度入射装置、光路调制装置、激光扩束装置、大气环境装置、望远装置、激光接收装置和显示与数据处理装置；

所述多角度入射装置与光路调制装置连接；

所述光路调制装置分别与激光扩束装置和激光接收装置连接；

所述激光扩束装置与大气环境装置连接；

所述大气环境装置与望远装置连接；

所述望远装置与激光接收装置连接；

所述激光接收装置与显示与数据处理装置连接；

所述显示与数据处理装置与多角度入射装置连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多角度入射装置包括衰减片单元、波片单元、偏振片单元和二维转台单元；

所述二维转台单元与衰减片单元连接；

所述衰减片单元与波片单元连接；

所述波片单元与偏振片单元连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述二维转台单元包括第一多光谱红外光源单元和第二多光谱红外光源单元；

所述第一多光谱红外光源单元与第二多光谱红外光源单元连接；

所述第一多光谱红外光源单元和第二多光谱红外光源单元均与衰减片单元连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述光路调制装置包括声光调制器单元、合束镜单元、光纤放大器单元、分束镜单元和数字合成器单元；

所述数字合成器单元与声光调制器单元连接；

所述声光调制器单元分别与多角度入射装置中的波片单元和合束镜单元连接；

所述合束镜单元与光纤放大器单元连接；

所述光纤放大器单元与分束镜单元连接；

所述分束镜单元与激光扩束装置连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述望远装置包括望远镜单元、准直光学单元、分束镜单元、第一聚焦光学单元和第二聚焦光学单元；

所述望远镜单元一端与大气环境装置，另一端与准直光学单元连接；

所述准直光学单元与分束镜单元连接；

所述分束镜单元分别与第一聚焦光学单元和第二聚焦光学单元连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述激光接收装置包括接收端探测器单元和监测端探测器单元；

所述接收端探测器单元与光路调制装置中的分束镜单元连接；

所述接收端探测器单元与望远装置中的第一聚焦光学单元连接；

所述监测端探测器单元与望远装置中的第二聚焦光学单元连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述显示与数据处理装置包括A/D转换器单元、高性能工作站单元和激光器控制和监测单元；

所述A/D转换器单元一端与激光接收装置连接，另一端与高性能工作站单元连接；

所述高性能工作站单元与激光器控制和监测单元连接；

所述激光器控制和监测单元与多角度入射装置中的二维转台单元连接。

本发明所述的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量方法，所述方法是采用上述方法中任一所述的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置实现的，包括以下步骤：

步骤S1，第一多光谱红外光源单元和第二多光谱红外光源单元将红外激光分别发送到衰减片单元，衰减片单元将红外激光中的散射光去除后，红外激光进入到波片单元中进行改变红外激光的质量，波片单元将红外激光发送到偏振片单元，通过调节偏振片单元的参数得到多角度的红外偏振激光后，偏振片单元将多角度的红外偏振激光发送到声光调制器单元；

步骤S2，声光调制器单元减少多角度的红外偏振光激光的噪音出现后，声光调制器单元将多角度的红外偏振光激光发送到合束镜单元进行合束，再经过光纤放大器单元进行信号放大，光纤放大器单元将红外激光发送到分束镜单元进行分束，一束红外激光发送到接收端探测器单元进行信号采集，另一束红外激光发送到激光扩束装置进行扩束后进入到大气环境装置中；

步骤S3，红外激光经过大气环境装置反射后进入到望远镜单元中，望远镜单元将红外激光发送到准直光学单元进行准直后，再经过分束镜单元进行分束后，红外激光分别进入第一聚焦光学单元和第二聚焦光学单元进行聚焦；

步骤S4，第一聚焦光学单元将红外激光发送到接收端探测器单元进行信号采集，将该信号与分束镜单元发送的信号进行计算对比，第二聚焦光学单元将红外激光发送到监测端探测器单元进行信号采集；

步骤S5，接收端探测器单元和监测端探测器单元分别将采集到的信号发送到A/D转换器单元进行数据转换后，高性能工作站单元反演出多角度的红外偏振光激光的二氧化碳浓度数据；

步骤S6，通过激光器控制和监测单元控制二维转台单元改变红外激光发射角度后，重复步骤S1至步骤S5的操作，直至红外激光的所有角度均完成二氧化碳浓度测量，则获得最终的二氧化碳浓度数据。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多角度的红外偏振激光包括0°、45°、90°和135°的红外偏振激光。

本发明解决了现有技术缺少能够应用于检测二氧化碳浓度的偏振测量装置的问题。具体有益效果包括：

1、本发明所述的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置，基于红外偏振探测技术可以准确测量大气中的二氧化碳浓度，在红外范围内通过多角度的红外偏振激光的加入减少红外激光在复杂大气中的传输的影响，提高了二氧化碳浓度测量装置10％的测量精度；

2、本发明所述的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置，聚焦光学单元将红外激光发送到接收端探测器单元进行信号采集，通过将该信号与分束镜单元发送的信号进行计算对比，能够实时比较红外激光损耗。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是具体实施方式所述的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置结构示意图；

图中，1为多角度入射装置，2为光路调制装置，3为激光扩束装置，4为大气环境装置，5为望远装置，6为激光接收装置，7为显示与数据处理装置，11为第一多光谱红外光源单元，12为第二多光谱红外光源单元，13为衰减片单元，14为波片单元，15为偏振片单元，16为二维转台单元，21为声光调制器单元，22为合束镜单元，23为光纤放大器单元，24为分束镜单元，25为数字合成器单元，51为望远镜单元，52为准直光学单元，53为分束镜单元，54为第一聚焦光学单元，55为第二聚焦光学单元，61为接收端探测器单元，62为监测端探测器单元，71为A/D转换器单元，72为高性能工作站单元，73为激光器控制和监测单元。

具体实施方式

下面结合附图将对本发明的多种实施方式进行清楚、完整地描述。通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施方式所述的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置，所述装置包括多角度入射装置1、光路调制装置2、激光扩束装置3、大气环境装置4、望远装置5、激光接收装置6和显示与数据处理装置7；

所述多角度入射装置1与光路调制装置2连接；

所述光路调制装置2分别与激光扩束装置3和激光接收装置6连接；

所述激光扩束装置3与大气环境装置4连接；

所述大气环境装置4与望远装置5连接；

所述望远装置5与激光接收装置6连接；

所述激光接收装置6与显示与数据处理装置7连接；

所述显示与数据处理装置7与多角度入射装置1连接。

本实施方式中，所述多角度入射装置1包括衰减片单元13、波片单元14、偏振片单元15和二维转台单元16；

所述二维转台单元16与衰减片单元13连接；

所述衰减片单元13与波片单元14连接；

所述波片单元14与偏振片单元15连接。

本实施方式中，所述二维转台单元16包括第一多光谱红外光源单元11和第二多光谱红外光源单元12；

所述第一多光谱红外光源单元11与第二多光谱红外光源单元12连接；

所述第一多光谱红外光源单元11和第二多光谱红外光源单元12均与衰减片单元13连接。

本实施方式中，所述光路调制装置2包括声光调制器单元21、合束镜单元22、光纤放大器单元23、分束镜单元24和数字合成器单元25；

所述数字合成器单元25与声光调制器单元21连接；

所述声光调制器单元21分别与多角度入射装置1中的波片单元15和合束镜单元22连接；

所述合束镜单元22与光纤放大器单元23连接；

所述光纤放大器单元23与分束镜单元24连接；

所述分束镜单元24与激光扩束装置3连接。

本实施方式中，所述望远装置5包括望远镜单元51、准直光学单元52、分束镜单元53、第一聚焦光学单元54和第二聚焦光学单元55；

所述望远镜单元51一端与大气环境装置4，另一端与准直光学单元52连接；

所述准直光学单元52与分束镜单元53连接；

所述分束镜单元53分别与第一聚焦光学单元54和第二聚焦光学单元55连接。

本实施方式中，所述激光接收装置6包括接收端探测器单元61和监测端探测器单元62；

所述接收端探测器单元61与光路调制装置2中的分束镜单元24连接；

所述接收端探测器单元61与望远装置5中的第一聚焦光学单元54连接；

所述监测端探测器单元62与望远装置5中的第二聚焦光学单元55连接。

本实施方式中，所述显示与数据处理装置7包括A/D转换器单元71、高性能工作站单元72和激光器控制和监测单元73；

所述A/D转换器单元71一端与激光接收装置6连接，另一端与高性能工作站单元72连接；

所述高性能工作站单元72与激光器控制和监测单元73连接；

所述激光器控制和监测单元73与多角度入射装置1中的二维转台单元16连接。

本实施方式基于本发明所述的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置，结合图1能更好的理解本实施方式，提供一种实际的实施方式：

所述装置包括多角度入射装置1、光路调制装置2、激光扩束装置3、大气环境装置4、望远装置5、激光接收装置6和显示与数据处理装置7；

所述多角度入射装置1、光路调制装置2和激光扩束装置3共处于同一平面上；

所述望远装置5、激光接收装置6和显示与数据处理装置7共处于同一平面上；

所述多角度入射光源装置1包括第一多光谱红外光源单元11、第二多光谱红外光源单元12、衰减片单元13、波片单元14、偏振片单元15和二维转台单元16；

所述光路调制装置2包括声光调制器单元21、合束镜单元22、光纤放大器单元23、分束镜单元24和数字合成器单元25；

所述声光调制器单元21和合束镜单元22通过保偏光纤连接；

所述大气环境装置4中用于反射激光；

所述望远装置5包括望远镜单元51、准直光学单元52、分束镜单元53、第一聚焦光学单元54和第二聚焦光学单元55；

所述激光接收装置6包括接收端探测器单元61和监测端探测器单元62；

所述分束镜单元24和监测端探测器单元61通过保偏光纤连接；

所述显示与数据处理装置包括A/D转换器单元71、高性能工作站单元72和激光器控制和监测单元73。

本实施方式所述的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量方法，所述方法是采用上述实施方式中任一所述的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置实现的，包括以下步骤：

步骤S1，第一多光谱红外光源单元11和第二多光谱红外光源单元12将红外激光分别发送到衰减片单元13，衰减片单元13将红外激光中的散射光去除后，红外激光进入到波片单元14中进行改变红外激光的质量，波片单元14将红外激光发送到偏振片单元15，通过调节偏振片单元15的参数得到多角度的红外偏振激光后，偏振片单元15将多角度的红外偏振激光发送到声光调制器单元21；

步骤S2，声光调制器单元21减少多角度的红外偏振光激光的噪音出现后，声光调制器单元21将多角度的红外偏振光激光发送到合束镜单元22进行合束，再经过光纤放大器单元23进行信号放大，光纤放大器单元23将红外激光发送到分束镜单元24进行分束，一束红外激光发送到接收端探测器单元61进行信号采集，另一束红外激光发送到激光扩束装置3进行扩束后进入到大气环境装置4中；

步骤S3，红外激光经过大气环境装置4反射后进入到望远镜单元51中，望远镜单元51将红外激光发送到准直光学单元52进行准直后，再经过分束镜单元53进行分束后，红外激光分别进入第一聚焦光学单元54和第二聚焦光学单元55进行聚焦；

步骤S4，第一聚焦光学单元54将红外激光发送到接收端探测器单元61进行信号采集，将该信号与分束镜单元24发送的信号进行计算对比，第二聚焦光学单元55将红外激光发送到监测端探测器单元62进行信号采集；

步骤S5，接收端探测器单元61和监测端探测器单元62分别将采集到的信号发送到A/D转换器单元71进行数据转换后，高性能工作站单元72反演出多角度的红外偏振光激光的二氧化碳浓度数据；

步骤S6，通过激光器控制和监测单元73控制二维转台单元16改变红外激光发射角度后，重复步骤S1至步骤S5的操作，直至红外激光的所有角度均完成二氧化碳浓度测量，则获得最终的二氧化碳浓度数据。

本实施方式中，所述多角度的红外偏振激光包括0°、45°、90°和135°的红外偏振激光。

本实施方式基于本发明所述的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量方法，提供一种实际的实施方式：

步骤S1，通过多角度入射装置1中的第一多光谱红外光源单元11和第二多光谱红外光源单元12发出红外激光，首先，通过衰减片单元13去除红外激光中的散射光后，红外激光水平进入波片单元14进一步提高红外激光质量后，进入偏振片单元15，通过调节偏振片单元15的参数分别得到0°、45°、90°和135°红外偏振激光，即多角度的红外偏振激光，调节偏振片单元15将多角度红外偏振激光发送到光路调制装置2；

步骤S2，多角度的红外偏振激光经由数字合成器单元25控制的声光调制器单元21减少噪音出现后，进入合束镜单元22进行合束，水平入射光纤放大器单元23进行信号放大，后经分束镜单元24分为两束红外激光，其中，一束红外激光通过保偏光纤进入接收端探测器单元61进行与经大气环境装置4反射后的信号进行计算对比，另一束红外激光水平入射至激光扩束装置3扩束后进入大气环境装置4中；

步骤S3，红外激光经过大气环境装置4反射进入望远镜单元51后，水平进入准直光学单元52形成准直光束，进入分束镜单元53进行分束后，分别进入第一聚焦光学单元54和第二聚焦光学单元55进行聚焦；

步骤S4，红外激光分别进入接收端探测器单元61和监测端探测器单元62进行初步的信号采集，传输到A/D转换器单元71进行数据转换，后由高性能工作站单元72利用以下公式进行分别反演0°、45°、90°和135°红外偏振激光信号的二氧化碳浓度数据：

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步骤S5，通过激光器控制和监测单元73控制二维转台单元16改变红外激光发射角度，重复步骤S1至步骤S4的操作，直至所有角度均完成二氧化碳浓度测量，得到最终的二氧化碳浓度数据。

综上，本实施方式所述的方法是通过多角度入射装置1发出红外激光，依次通过衰减片单元13、波片单元14和偏振片单元15得到多角度的红外偏振激光后，到达光路调制装置2，然后，通过光路调制装置2对声光调制器单元21、合束镜单元22、光纤放大器单元23和分束镜单元24进行调控，输出红外激光经扩束装置3进入大气环境装置4，红外激光经过大气环境装置4反射进入望远装置5和激光接收装置6进行红外激光的接收处理，最后，通过显示与数据处理装置7输出二氧化碳浓度。

以上对本发明所提出的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置与方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置，其特征在于，所述装置包括多角度入射装置（1）、光路调制装置（2）、激光扩束装置（3）、大气环境装置（4）、望远装置（5）、激光接收装置（6）和显示与数据处理装置（7）；

所述多角度入射装置（1）与光路调制装置（2）连接；

所述光路调制装置（2）分别与激光扩束装置（3）和激光接收装置（6）连接；

所述激光扩束装置（3）与大气环境装置（4）连接；

所述大气环境装置（4）与望远装置（5）连接；

所述望远装置（5）与激光接收装置（6）连接；

所述激光接收装置（6）与显示与数据处理装置（7）连接；

所述显示与数据处理装置（7）与多角度入射装置（1）连接；

通过多角度入射装置（1）中的第一多光谱红外光源单元（11）和第二多光谱红外光源单元（12）发出红外激光，首先，通过衰减片单元（13）去除红外激光中的散射光后，红外激光水平进入波片单元（14）进一步提高红外激光质量后，进入偏振片单元（15），通过调节偏振片单元（15）的参数分别得到 0°、45°、90°和 135°红外偏振激光，即多角度的红外偏振激光。

2.根据权利要求1所述的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置，其特征在于，所述多角度入射装置（1）包括衰减片单元（13）、波片单元（14）、偏振片单元（15）和二维转台单元（16）；

所述二维转台单元（16）与衰减片单元（13）连接；

所述衰减片单元（13）与波片单元（14）连接；

所述波片单元（14）与偏振片单元（15）连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置，其特征在于，所述二维转台单元（16）包括第一多光谱红外光源单元（11）和第二多光谱红外光源单元（12）；

所述第一多光谱红外光源单元（11）与第二多光谱红外光源单元（12）连接；

所述第一多光谱红外光源单元（11）和第二多光谱红外光源单元（12）均与衰减片单元（13）连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置，其特征在于，所述光路调制装置（2）包括声光调制器单元（21）、合束镜单元（22）、光纤放大器单元（23）、分束镜单元（24）和数字合成器单元（25）；

所述数字合成器单元（25）与声光调制器单元（21）连接；

所述声光调制器单元（21）分别与多角度入射装置（1）中的偏振片单元（15）和合束镜单元（22）连接；

所述合束镜单元（22）与光纤放大器单元（23）连接；

所述光纤放大器单元（23）与分束镜单元（24）连接；

所述分束镜单元（24）与激光扩束装置（3）连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置，其特征在于，所述望远装置（5）包括望远镜单元（51）、准直光学单元（52）、分束镜单元（53）、第一聚焦光学单元（54）和第二聚焦光学单元（55）；

所述望远镜单元（51）一端与大气环境装置（4），另一端与准直光学单元（52）连接；

所述准直光学单元（52）与分束镜单元（53）连接；

所述分束镜单元（53）分别与第一聚焦光学单元（54）和第二聚焦光学单元（55）连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置，其特征在于，所述激光接收装置（6）包括接收端探测器单元（61）和监测端探测器单元（62）；

所述接收端探测器单元（61）与光路调制装置（2）中的分束镜单元（24）连接；

所述接收端探测器单元（61）与望远装置（5）中的第一聚焦光学单元（54）连接；

所述监测端探测器单元（62）与望远装置（5）中的第二聚焦光学单元（55）连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置，其特征在于，所述显示与数据处理装置（7）包括A/D转换器单元（71）、高性能工作站单元（72）和激光器控制和监测单元（73）；

所述A/D转换器单元（71）一端与激光接收装置（6）连接，另一端与高性能工作站单元（72）连接；

所述高性能工作站单元（72）与激光器控制和监测单元（73）连接；

所述激光器控制和监测单元（73）与多角度入射装置（1）中的二维转台单元（16）连接。

8.一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量方法，所述方法是采用权利要求1-7中任一所述的一种基于红外偏振光的二氧化碳浓度测量装置实现的，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，第一多光谱红外光源单元（11）和第二多光谱红外光源单元（12）将红外激光分别发送到衰减片单元（13），衰减片单元（13）将红外激光中的散射光去除后，红外激光进入到波片单元（14）中进行改变红外激光的质量，波片单元（14）将红外激光发送到偏振片单元（15），通过调节偏振片单元（15）的参数得到多角度的红外偏振激光后，偏振片单元（15）将多角度的红外偏振激光发送到声光调制器单元（21）；

步骤S2，声光调制器单元（21）减少多角度的红外偏振光激光的噪音出现后，声光调制器单元（21）将多角度的红外偏振光激光发送到合束镜单元（22）进行合束，再经过光纤放大器单元（23）进行信号放大，光纤放大器单元（23）将红外激光发送到分束镜单元（24）进行分束，一束红外激光发送到接收端探测器单元（61）进行信号采集，另一束红外激光发送到激光扩束装置（3）进行扩束后进入到大气环境装置（4）中；

步骤S3，红外激光经过大气环境装置（4）反射后进入到望远镜单元（51）中，望远镜单元（51）将红外激光发送到准直光学单元（52）进行准直后，再经过分束镜单元（53）进行分束后，红外激光分别进入第一聚焦光学单元（54）和第二聚焦光学单元（55）进行聚焦；

步骤S4，第一聚焦光学单元（54）将红外激光发送到接收端探测器单元（61）进行信号采集，将该信号与分束镜单元（24）发送的信号进行计算对比，第二聚焦光学单元（55）将红外激光发送到监测端探测器单元（62）进行信号采集；

步骤S5，接收端探测器单元（61）和监测端探测器单元（62）分别将采集到的信号发送到A/D转换器单元（71）进行数据转换后，高性能工作站单元（72）反演出多角度的红外偏振光激光的二氧化碳浓度数据；

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所述多角度的红外偏振激光包括0°、45°、90°和135°的红外偏振激光；

步骤S6，通过激光器控制和监测单元（73）控制二维转台单元（16）改变红外激光发射角度后，重复步骤S1至步骤S5的操作，直至红外激光的所有角度均完成二氧化碳浓度测量，则获得最终的二氧化碳浓度数据。

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