CN116256609A - 一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法 - Google Patents

一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116256609A
CN116256609A CN202211466597.XA CN202211466597A CN116256609A CN 116256609 A CN116256609 A CN 116256609A CN 202211466597 A CN202211466597 A CN 202211466597A CN 116256609 A CN116256609 A CN 116256609A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
frequency
absorption
light
response
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211466597.XA
Other languages
English (en)
Inventor
张步强
牛慧文
周建发
史青
彭泳卿
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Research Institute of Telemetry
Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co Ltd
Original Assignee
Beijing Research Institute of Telemetry
Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Research Institute of Telemetry, Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co Ltd filed Critical Beijing Research Institute of Telemetry
Priority to CN202211466597.XA priority Critical patent/CN116256609A/zh
Publication of CN116256609A publication Critical patent/CN116256609A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
    • G01R31/2601—Apparatus or methods therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明提供一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，通过对特定环境的吸收光谱测量，提取有效吸收信息的谐波信号得到精确的激光器出光频率响应，利用与创建参考信号相乘的方法将吸收信息转移到直流部分，通过低通滤波结合双通道解调方式提取对相位不敏感的归一化谐波信号，利用非线性最小二乘拟合将激光器的频率调制参数作为拟合参数，实现出光频率响应的精确测量。本发明解决了波长调制技术激光器频率‑时间响应快速测量难题，将本发明的激光器出光频率‑时间响应测量方法应用于相关工程领域，为复杂环境组分浓度的精确测量解决关键技术问题，同时为吸收模型的精确构建提供精确的量化参数，使波长调制光谱技术的应用范围进一步拓展。

Description

一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法
技术领域
本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法。
背景技术
可调谐半导体吸收光谱(TDLAS)技术利用窄线宽可调谐半导体激光器，通过调节激光器的波长使其持续扫描通过待测气体目标吸收线，获得待测气体的吸收特征，从而实现气体测量的目的。该技术具有灵敏度高、响应快、光谱分辨率高、能够实现多组分原位测量的特点，被广泛应用于光谱参数研究、大气痕量气体检测、工业过程控制以及燃烧流场诊断等领域。
TDLAS技术根据加载的电流模式分为直接吸收光谱技术和波长调制光谱技术，在某些测量环境(如目标吸收线线强较弱、光束传输损耗较大以及无吸收基线选取困难等)波长调制光谱技术的适应性更强，一般其测量灵敏度高于直接吸收技术2～3个数量级。在实际应用时，场参数的测量精度均依赖于吸收模型的精确构建，当模型计算结果与实测值能够直接比较时即认为模型的精度满足测量需求，激光器的出光频率-时间响应是吸收模型中的重要输入参数，表征激光器的出光特性，实现其精确测量对流场参数测量非常重要。传统的测量方法利用法布里珀罗(F-P)标准具，遵循多光束等倾干涉原理，将频域点再通过拟合的方法得到激光器频域特性。在实际应用时难以找到适用于所有调制深度和出光波长的标准具，并且存在标准具加工难度大、拟合误差难以消除以及频域分辨率不足的问题。
因此，需要一种可快速测量激光器出光频率响应的方法。
发明内容
本发明是为了解决波长调制技术中激光器频率时间响应快速测量问题，提供一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，根据激光器工作参数注入工作电流并控制工作温度，使激光器通过标准吸收池；利用经过吸收池的光强信号模拟得到无吸收光强信号作为背景，将扣除背景的归一化2次谐波作为拟合目标函数，激光器频率-时间响应模型作为拟合参数，实现出光频率响应的精确测量。本发明解决了波长调制技术激光器频率-时间响应快速测量难题，将本发明的激光器出光频率-时间响应测量方法应用于相关工程领域，为复杂环境组分浓度的精确测量解决关键技术问题，同时为吸收模型的精确构建提供精确的量化参数，使波长调制光谱技术的应用范围进一步拓展。
本发明提供一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，使激光器通过吸收池，利用经过吸收池的吸收后光强It(υ)模拟得到无吸收光强I0(υ)并将无吸收光强I0(υ)作为背景，将扣除背景的归一化2次谐波作为拟合目标函数，激光器频率-时间响应模型作为拟合参数，通过非线性最小二乘拟合得到激光器出光频率响应，快速测量激光器出光频率响应的方法完成。
本发明所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，作为优选方式，包括以下步骤：
S1、激光器的输出光经准直后通过吸收池，经吸收池内的气体介质吸收后输出到探测器，探测器将光信号转化为电信号得到吸收后光强It(υ)；
S2、通过非线性最小二乘拟合获得与吸收后光强It(υ)对应的无吸收光强I0(υ)，将无吸收光强I0(υ)作为背景；
S3、利用软件解调的方式对无吸收光强I0(υ)和吸收后光强It(υ)进行相同处理，得到X通道的实测二次谐波信号X2f、X通道的背景谐波信号
Figure BDA0003957746130000021
Y通道的实测二次谐波信号Y2f、Y通道的背景谐波信号/>
Figure BDA0003957746130000022
并得到实测二次谐波信号S2f-nor-bgsub-mean；
S4、在激光器频率-时间响应模型中得到扣除背景二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim，扣除背景二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim为模拟信号；
S5、改变激光器频率-时间响应模型的参数以改变扣除背景二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim，当满足迭代条件时，得到目标参数，目标参数υ(t)为精确激光器出光频率响应，快速测量激光器出光频率响应完成。
本发明所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，作为优选方式，步骤S1中，向激光器中注入低频锯齿扫描叠加高频正弦调制后再使激光器的输出光准直耦合进入吸收池，激光器的输出光被目标气体吸收后输出，气体介质包括目标气体，吸收池提供固定的温度、压力、组分浓度和有效光程。
本发明所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，作为优选方式，步骤S1中，激光器的光强时间响应为：
Figure BDA0003957746130000031
其中，I0(t)为激光器的初始光强，
Figure BDA0003957746130000032
为激光器中心频率处的平均光强，i0为被/>
Figure BDA0003957746130000033
归一化的线性强度调制幅度，i2为被/>
Figure BDA0003957746130000034
归一化的非线性强度调制幅度，/>
Figure BDA0003957746130000035
为i0对应的线性强度调制与频率调制的相位差，/>
Figure BDA0003957746130000036
为i2对应的非线性强度调制与频率调制的相位差，f为正弦调制的频率，t为时间；
激光器被高频正弦电流调制时，光强被调制的同时频率也被调制，被调制后的激光器出光频率υ0(t)为：
Figure BDA0003957746130000037
其中，
Figure BDA0003957746130000038
为平均出光频率，ai、θi为频率描述模型系数，a为频率调制幅度，θ为初相，当i＝1时υ0(t)为线性参数，i＝2时为υ0(t)非线性参数；
步骤S2中，吸收后光强It(υ)中包括吸收信息和无吸收段信息，非线性最小二乘拟合为选取无吸收段信息进行分段拟合的方法，通过I0、i0、i2、
Figure BDA0003957746130000039
的改变进行非线性最小二乘拟合。
本发明所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，作为优选方式，步骤S2中，吸收后光强It(υ)和无吸收光强I0(υ)遵循Beer-Lambert定律；
Figure BDA00039577461300000310
/>
其中，τυ为透过率；
根据I(υ)＝I0(υ)exp[-S(T)φ(υ-υ0,T)PχL]得到无吸收光强I0(υ)，其中，υ为激光器出光频率，υ0为吸收谱线中心频率，S(T)为温度T时的吸收谱线线强，φ为归一化的吸收线线型函数，P为吸收池内总压，χ为吸收气体占总气体的摩尔数之比，L为有效吸收光程。
本发明所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，作为优选方式，步骤S3中，利用锁相放大器在调制频率的k倍频上解调时，得到k次谐波分量，并得到实测二次谐波信号S2f-nor-bgsub-mean。
本发明所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，作为优选方式，步骤S3中，通过低通滤波结合双通道解调方式得到所述实测二次谐波信号S2f-nor-bgsub-mean；
Figure BDA0003957746130000041
本发明所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，作为优选方式，步骤S4中，将实测二次谐波信号S2f-nor-bgsub-mean作为拟合目标，给定激光器出光频率初始参数，并将步骤S1中吸收池的内部压力、温度、组分浓度和有效吸收光程作为常数代入激光器频率-时间响应模型中，重复步骤S3，得到扣除背景二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim。
本发明所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，作为优选方式，步骤S5中，对扣除背景二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim进行非线性最小二乘拟合以寻求最佳拟合参数。
本发明所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，作为优选方式，步骤S5中，迭代条件为：扣除背景二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim和实测二次谐波信号S2f-nor-bgsub-mean的向量差平方≤10-8；
满足拟合条件时，υ(t)＝υ0(t)。
根据光学传输规律结合非线性最小二乘拟合，将表征激光器出光频率的模型参数作为拟合向量，拟合目标为通过标准吸收池的谐波信号能够被吸收模型精确描述，吸收模型中的输入变量包括吸光度、线型以及激光器调制参数，其中激光器调制参数分为强度调制和频率调制，除频率参数外其他参数均为已知量，改变描述频率模型的参数，使其与实测的谐波信号拟合，当满足收敛条件时，即可得到激光器出光频率的精确描述参数。
激光经过吸收介质后强度变化可表示为：
I(υ)＝I0(υ)exp[-S(T)φ(υ-υ0,T)PχL] (1)
其中υ为激光器出光频率(单位：cm-1，与波长成倒数关系)，υ0为吸收谱线中心频率；I0(υ)和I(υ)分别为吸收前和吸收后光强；S(T)为温度T时的吸收谱线线强(单位：cm-2·atm-1)，温度T的单位用K表示；φ为归一化的吸收线线型函数(单位：cm)；χ为吸收气体占总气体的摩尔数之比，即体积比；L为有效吸收光程(单位：cm)。
可调谐半导体吸收光谱(TDLAS)技术根据半导体激光器加载电流形式分为直接吸收技术(DAS)和波长调制光谱(WMS)技术，当只给激光器加载重复扫描的锯齿波时为直接吸收技术，当加载锯齿波和频率为f的正弦调制时为波长调制技术。
波长调制技术的激光器光强时间响应可以表示为：
Figure BDA0003957746130000051
/>
其中I0(t)为激光器的初始光强，
Figure BDA0003957746130000052
为激光器中心频率处的平均光强，i0、i2分别为被/>
Figure BDA0003957746130000053
归一化的线性和非线性强度调制幅度，/>
Figure BDA0003957746130000054
分别是对应的线性和非线性强度调制与频率调制的相位差，这里只考虑了前两阶强度响应项，这些参数均依赖于激光器的调制参数及其频率和光强响应特性；
激光器被高频正弦电流调制时，光强被调制的同时频率也被调制，被调制后的激光器出光频率可表示为：
Figure BDA0003957746130000055
其中
Figure BDA0003957746130000056
为平均出光频率，ai、θi为频率描述模型系数，a为频率调制幅度，θ为初相，当i＝1时为线性参数，i＝2时为非线性参数。将激光器准直后打入标准吸收池，吸收池提供固定的温度、压力、组分浓度以及有效光程；
激光经过标准吸收池后，被内部的气体组分所吸收，出射光束打到探测器上经光电转换得到光强It(t)，光强中包含高频吸收信息，根据得到的透射光强It(t)选取无吸收部分通过分段拟合得到无吸收光强I0(t)。；
透射光强It(t)和无吸收光强I0(t)同时经过相敏检测和低通滤波器，得到扣除背景并被峰值归一化的二次谐波信号，可表示为：
Figure BDA0003957746130000061
其中X2f、
Figure BDA0003957746130000062
分别表示X通道的二次谐波信号和背景信号，Y2f、/>
Figure BDA0003957746130000063
分别表示Y通道的二次谐波信号和背景信号；
实测二次谐波信号S2f-nor-bgsub-mean作为拟合目标，给定激光器出光频率初始参数，并将式(3)中的吸收池内部压力、温度、组分浓度以及有效吸收光程作为常数代入到吸收模型中得到模拟的二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim，通过改变吸收模型参数使模拟和实测二次谐波信号完成拟合，满足收敛条件时的频率时间响应参数即可用于描述激光器出光频率特性。
本发明通过对特定环境的吸收光谱测量，提取有效吸收信息的谐波信号得到精确的激光器出光频率响应，利用与创建参考信号相乘的方法将吸收信息转移到直流部分，通过低通滤波结合双通道解调方式提取对相位不敏感的归一化谐波信号，利用非线性最小二乘拟合将激光器的频率调制参数作为拟合参数，实现出光频率响应的精确测量。本发明解决了波长调制技术激光器频率-时间响应快速测量难题，将本发明的激光器出光频率-时间响应测量方法应用于相关工程领域，为复杂环境组分浓度的精确测量解决关键技术问题，同时为吸收模型的精确构建提供精确的量化参数，使波长调制光谱技术的应用范围进一步拓展。
本发明具有以下优点：
(1)、本发明通过软件计算的方式得到精确的激光器出光频率响应，解决现有传统方法精度低、可操作性低以及标准具加工困难的问题；利用激光器通过标准吸收池结合非线性最小二乘拟合的方式，将实测二次谐波信号与模拟信号进行拟合，频率时间响应描述参数作为拟合变量，最终得到精确的激光器出光频率响应，有效解决激光器频率时间响应测量复杂的问题。
(2)、本发明通过双通道背景扣除的方法提高目标函数的信噪比；吸收信号创建过程综合考虑所有吸收线的影响以及线型选择，进一步提高测量准确性。
(3)、本发明可用于多类极端流场测量以及复杂吸收信息提取，进一步拓宽TDLAS技术的应用范围。
附图说明
图1为一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法流程图；
图2为一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法激光器吸收后光强It(υ)及无吸收光强I0(υ)图；
图3为一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法实测归一化得到二次谐波S2f-nor-bgsub-mean图；
图4为一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法760nm附近氧气分子吸收谱线图；
图5为一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法谐波信号拟合结果示意图。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，使激光器通过吸收池，利用经过吸收池的吸收后光强It(υ)模拟得到无吸收光强I0(υ)并将无吸收光强I0(υ)作为背景，将扣除背景的归一化2次谐波作为拟合目标函数，激光器频率-时间响应模型作为拟合参数，通过非线性最小二乘拟合得到激光器出光频率相应，快速测量激光器出光频率响应的方法完成；
包括以下步骤：
S1、激光器的输出光经准直后通过吸收池，经吸收池内的气体介质吸收后输出到探测器，探测器将光信号转化为电信号得到吸收后光强It(υ)；
向激光器中注入低频锯齿扫描叠加高频正弦调制后再使激光器的输出光准直耦合进入吸收池，激光器的输出光被目标气体吸收后输出，气体介质包括目标气体，吸收池提供固定的温度、压力、组分浓度和有效光程；
激光器的光强时间响应为：
Figure BDA0003957746130000081
其中，I0(t)为激光器的初始光强，
Figure BDA0003957746130000082
为激光器中心频率处的平均光强，i0为被/>
Figure BDA0003957746130000083
归一化的线性强度调制幅度，i2为被/>
Figure BDA0003957746130000084
归一化的非线性强度调制幅度，/>
Figure BDA0003957746130000085
为i0对应的线性强度调制与频率调制的相位差，/>
Figure BDA0003957746130000086
为i2对应的非线性强度调制与频率调制的相位差，f为正弦调制的频率，t为时间；
激光器被高频正弦电流调制时，光强被调制的同时频率也被调制，被调制后的激光器出光频率υ0(t)为：
Figure BDA0003957746130000087
其中，
Figure BDA0003957746130000088
为平均出光频率，ai、θi为频率描述模型系数，a为频率调制幅度，θ为初相，当i＝1时υ0(t)为线性参数，i＝2时为υ0(t)非线性参数；
S2、通过非线性最小二乘拟合获得与吸收后光强It(υ)对应的无吸收光强I0(υ)，将无吸收光强I0(υ)作为背景；
吸收后光强It(υ)中包括吸收信息和无吸收段信息，非线性最小二乘拟合为选取无吸收段信息进行分段拟合的方法，通过
Figure BDA0003957746130000089
i0、i2、/>
Figure BDA00039577461300000810
Figure BDA00039577461300000811
的改变进行非线性最小二乘拟合；
吸收后光强It(υ)和无吸收光强I0(υ)遵循Beer-Lambert定律；
Figure BDA00039577461300000812
其中，τυ为透过率；
根据I(υ)＝I0(υ)exp[-S(T)φ(υ-υ0,T)PχL]得到无吸收光强I0(υ)，其中，υ为激光器出光频率，υ0为吸收谱线中心频率，S(T)为温度T时的吸收谱线线强，φ为归一化的吸收线线型函数，P为吸收池内总压，χ为吸收气体占总气体的摩尔数之比，L为有效吸收光程；
S3、利用软件解调的方式对无吸收光强I0(υ)和吸收后光强It(υ)进行相同处理，得到X通道的实测二次谐波信号X2f、X通道的背景谐波信号
Figure BDA0003957746130000091
Y通道的实测二次谐波信号Y2f、Y通道的背景谐波信号/>
Figure BDA0003957746130000092
并得到实测二次谐波信号S2f-nor-bgsub-mean；
利用锁相放大器在调制频率的k倍频上解调时，得到k次谐波分量，并得到实测二次谐波信号S2f-nor-bgsub-mean；
通过低通滤波结合双通道解调方式得到所述实测二次谐波信号S2f-nor-bgsub-mean；
Figure BDA0003957746130000093
S4、在激光器频率-时间响应模型中得到扣除背景二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim，扣除背景二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim为模拟信号；
将实测二次谐波信号S2f-nor-bgsub-mean作为拟合目标，给定激光器出光频率初始参数，并将步骤S1中吸收池的内部压力、温度、组分浓度和有效吸收光程作为常数代入激光器频率-时间响应模型中，重复步骤S3，得到扣除背景二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim；
S5、改变激光器频率-时间响应模型的参数以改变扣除背景二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim；
对扣除背景二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim进行非线性最小二乘拟合以寻求最佳拟合参数；
当满足迭代条件时，得到目标参数，所述目标参数υ(t)为精确激光器出光频率响应，迭代条件为：扣除背景二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim和实测二次谐波信号S2f-nor-bgsub-mean的向量差平方≤10-8，，快速测量激光器出光频率响应完成。
实施例2
如图1所示，一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，
本发明采用的技术方案是：通过给激光器注入低频锯齿扫描叠加高频正弦调制的工作方式，经准直耦合进标准吸收池，吸收池内工作介质在激光器工作波段有较强吸收，标注吸收池内的温度、压力、组分及有效光程均为已知，吸收池工作介质为氮气和目标气体的混合气，经过标准吸收池的多次反射，被光电探测器接收，将光强信号转换为电压信号，经过放大电路得到吸收后的光强信号It(υ)，和无吸收光强I0(υ)之间遵循Beer-Lambert定律，可以表示为：
Figure BDA0003957746130000101
其中τυ为透过率，αυ表示吸光度，P表示吸收池内总压,χ表示体积分数，L表示有效光程，S(T)表示温度T下的线强，线型函数φ具有归一化特性，即单个吸收的线型在全频域的积分等于1，I0(υ)通过It(υ)中无吸收部分分段拟合得到。
吸收后光强可表示为：
It(υ)＝I0(υ)·τ(υ(t)) (6)
由于激光器的出光频率随时间的变化υ(t)为时间t的偶函数，因而透过率也是时间t的偶函数，将吸收后的光强进行傅里叶展开，可以表示为：
Figure BDA0003957746130000102
利用锁相放大器在调制频率的k倍频上解调时，得到k次谐波分量，基于此得到实测二次谐波信号S2f-nor-bgsub-mean，以此作为拟合目标，进而将标准吸收池的压力、温度、组分浓度以及有效吸收光程作为常数代入到吸收模型中得到模拟的二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim，进行非线性最小二乘拟合，拟合的目的是误差的平方和最小，寻求最佳拟合参数，建立目标函数使其达到设定的迭代条件即拟合结束，得到拟合参数(被调制后激光器出光频率υ0(t))，用于准确描述激光器的出光频率时间响应。
所述快速测量激光器快速测量如图1所示，分为五个步骤：
步骤一：得到吸收后的光强It(υ)，激光器加载低频锯齿扫描和高频正弦调制电流同时控制其工作温度，经准直的光束经过标准吸收池，吸收池内的气体介质对光强吸收后打到探测器，探测器将光信号转化为电信号得到It(υ)。
步骤二：通过非线性最小二乘拟合创建无吸收光强I0(υ)，吸收后的光强It(υ)中包含吸收信息同时也包含无吸收段，通过选取无吸收部分分段拟合方法获得与It(υ)对应的无吸收光强I0(υ)。
步骤二中利用非线性最小二乘拟合获取I0(υ)时，利用式(2)光强模型拟合，通过
Figure BDA0003957746130000111
i0、i2、/>
Figure BDA0003957746130000112
的改变得到最佳拟合效果，从而获取I0(υ)的精确描述模型。
步骤三：得到实测的扣除背景的二次谐波信号S2f-nor-bgsub-mean，利用软件解调方式实现，相对硬件解调更容易实现，当滤波参数固定以后，使背景吸收光强I0(υ)和实测吸收后光强It(υ)经过相同处理，得到双通道背景谐波信号
Figure BDA0003957746130000113
和/>
Figure BDA0003957746130000114
双通道实测谐波信号X2f和Y2f，利用式(4)计算S2f-nor-bgsub-mean。/>
步骤四：得到模拟的扣除背景的二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim，涉及多个参数输入，包括激光器参数、环境参数、吸收谱线参数。
步骤四中的激光器参数包括强度参数和频率参数，强度参数利用步骤二中的I0(υ)，频率模型利用式(3)，参数初值由激光器出厂数据单给出，根据电流特性和中心频率估算；环境参数包括标准吸收池内部的温度、压力、组分信息以及有效光程；吸收谱线参数由HITRAN2016给出，每条吸收线包括中心频率、线强、空气展宽系数、自展宽系数、温度依赖系数以及压力频移系数，为使模拟的谐波信号精度更高，模拟过程考虑激光器扫描范围内的所有吸收线影响，另外利用最接近实际吸收线型的Voigt线型计算吸收信息。
步骤四中利用Beer-Lambert获取模拟的吸收后光强，结合无吸收光强I0(υ)重复步骤三，得到模拟的扣除背景的二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim。
步骤五：通过改变步骤四中激光器出光频率模型参数改变模拟的谐波信号S2f-nor-bgsub-sim，当满足迭代条件时，即得到目标参数，实现激光器出光频率响应的快速测量。
氧气作为人体生理必需气体在各类生存环境中的监测至关重要，随着研究的逐步深入，在某些环境需要检测痕量氧气浓度。红外吸收光谱技术由于具有非接触、响应快、信号高保真的优势，成为各应用场景的主要检测手段之一，但是氧气分子为线性对称双原子分子，其振-转红外活性光谱范围集中在760nm附近，同时吸收线强相对较弱，红外吸收光谱中的波长调制技术的优势愈加凸显，无论利用谐波拟合的反演方法还是比值反演方法，均需要精确获取激光器频率时间响应。基于此，提出一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，精确获取激光器频率响应模型参数，实施例中标准吸收池的压强为10atm，有效光程为100cm，温度设定为296K，氧气浓度体积分数为20％，剩余气体为高纯氮气。
激光器光束透过标准吸收池后的吸收后光强It(υ)及利用分段拟合获取的无吸收光强I0(υ)如图2所示，能够明显看到氧气的吸收使原始光强出现凹陷。通过双通道背景扣除并利用峰值归一化得到二次谐波S2f-nor-bgsub-mean作为目标函数，如图3所示。利用无吸收光强I0(υ)和其他输入参数获得模拟谐波信号，除无吸收光强外激光器调制参数还包括初始模型参数，环境参数为标准吸收池设定常数，谱线参数由HITRAN提供，在760nm附近氧气分子的吸收谱线如图4所示，为实现最佳拟合效果，将所有可能的吸收纳入吸收模型，经过与实测谐波信号相同的解调方式(滤波参数完全一致)得到模拟的二次谐波S2f-nor-bgsub-sim。以S2f-nor-bgsub-mean为目标，通过改变激光器频率时间响应模型参数，满足收敛条件时其结果如图5所示，实现激光器出光响应的快速测量，迭代条件(收敛条件)为模拟谐波信号和实测谐波信号的向量差平方≤10-8(在其他实施例中，收敛条件也可为模拟谐波信号和实测谐波信号的向量差平方≤10-10或10-12)，模拟谐波信号和实测谐波信号的向量差平方具体为模拟谐波信号与实测谐波信号对应点差值的平方再累加)。
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揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，其特征在于：使激光器通过吸收池，利用经过吸收池的吸收后光强It(υ)模拟得到无吸收光强I0(υ)并将所述无吸收光强I0(υ)作为背景，将扣除背景的归一化2次谐波作为拟合目标函数，激光器频率-时间响应模型作为拟合参数，通过非线性最小二乘拟合得到激光器出光频率响应，快速测量激光器出光频率响应的方法完成。
2.根据权利要求1所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、所述激光器的输出光经准直后通过所述吸收池，经所述吸收池内的气体介质吸收后输出到探测器，所述探测器将光信号转化为电信号得到所述吸收后光强It(υ)；
S2、通过非线性最小二乘拟合获得与所述吸收后光强It(υ)对应的所述无吸收光强I0(υ)，将所述无吸收光强I0(υ)作为背景；
S3、利用软件解调的方式对所述无吸收光强I0(υ)和所述吸收后光强It(υ)进行相同处理，得到X通道的实测二次谐波信号X2f、X通道的背景谐波信号
Figure FDA0003957746120000011
Y通道的实测二次谐波信号Y2f、Y通道的背景谐波信号/>
Figure FDA0003957746120000012
并得到实测二次谐波信号S2f-nor-bgsub-mean；
S4、在所述激光器频率-时间响应模型中得到扣除背景二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim，所述扣除背景二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim为模拟信号；
S5、改变所述激光器频率-时间响应模型的参数以改变所述扣除背景二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim，当满足迭代条件时，得到目标参数，所述目标参数υ(t)为精确激光器出光频率响应，快速测量激光器出光频率响应完成。
3.根据权利要求2所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，其特征在于：步骤S1中，向所述激光器中注入低频锯齿扫描叠加高频正弦调制后再使所述激光器的输出光准直耦合进入所述吸收池，所述激光器的输出光被所述目标气体吸收后输出，所述气体介质包括目标气体，所述吸收池提供固定的温度、压力、组分浓度和有效光程。
4.根据权利要求3所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，其特征在于：步骤S1中，所述激光器的光强时间响应为：
Figure FDA0003957746120000021
其中，I0(t)为激光器的初始光强，
Figure FDA0003957746120000022
为激光器中心频率处的平均光强，i0为被/>
Figure FDA0003957746120000023
归一化的线性强度调制幅度，i2为被/>
Figure FDA0003957746120000024
归一化的非线性强度调制幅度，/>
Figure FDA0003957746120000025
为i0对应的线性强度调制与频率调制的相位差，/>
Figure FDA0003957746120000026
为i2对应的非线性强度调制与频率调制的相位差，f为正弦调制的频率，t为时间；
所述激光器被高频正弦电流调制时，光强被调制的同时频率也被调制，被调制后的激光器出光频率υ0(t)为：
Figure FDA0003957746120000027
其中，
Figure FDA0003957746120000028
为平均出光频率，ai、θi为频率描述模型系数，a为频率调制幅度，θ为初相，当i＝1时υ0(t)为线性参数，i＝2时为υ0(t)非线性参数；
步骤S2中，所述吸收后光强It(υ)中包括吸收信息和无吸收段信息，所述非线性最小二乘拟合为选取所述无吸收段信息进行分段拟合的方法，通过
Figure FDA0003957746120000029
i0、i2、/>
Figure FDA00039577461200000210
的改变进行非线性最小二乘拟合。
5.根据权利要求2所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，其特征在于：步骤S2中，所述吸收后光强It(υ)和所述无吸收光强I0(υ)遵循Beer-Lambert定律；
Figure FDA00039577461200000211
其中，τυ为透过率；
根据I(υ)＝I0(υ)exp[-S(T)φ(υ-υ0,T)PχL]得到所述无吸收光强I0(υ)，其中，υ为激光器出光频率，υ0为吸收谱线中心频率，S(T)为温度T时的吸收谱线线强，φ为归一化的吸收线线型函数，P为吸收池内总压，χ为吸收气体占总气体的摩尔数之比，L为有效吸收光程。
6.根据权利要求2所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，其特征在于：步骤S3中，利用锁相放大器在调制频率的k倍频上解调时，得到k次谐波分量，并得到所述实测二次谐波信号S2f-nor-bgsub-mean。
7.根据权利要求2所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，其特征在于：步骤S3中，通过低通滤波结合双通道解调方式得到所述实测二次谐波信号S2f-nor-bgsub-mean；
Figure FDA0003957746120000031
8.根据权利要求2所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，其特征在于：步骤S4中，将所述实测二次谐波信号S2f-nor-bgsub-mean作为拟合目标，给定激光器出光频率初始参数，并将步骤S1中所述吸收池的内部压力、温度、组分浓度和有效吸收光程作为常数代入所述激光器频率-时间响应模型中，重复步骤S3，得到所述扣除背景二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim。
9.根据权利要求2所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，其特征在于：步骤S5中，对所述扣除背景二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim进行非线性最小二乘拟合以寻求最佳拟合参数。
10.根据权利要求2所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，其特征在于：步骤S5中，所述迭代条件为：所述扣除背景二次谐波信号S2f-nor-bgsub-sim和所述实测二次谐波信号S2f-nor-bgsub-mean的向量差平方≤10-8；
满足拟合条件时，υ(t)＝υ0(t)。
CN202211466597.XA 2022-11-22 2022-11-22 一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法 Pending CN116256609A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211466597.XA CN116256609A (zh) 2022-11-22 2022-11-22 一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211466597.XA CN116256609A (zh) 2022-11-22 2022-11-22 一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116256609A true CN116256609A (zh) 2023-06-13

Family

ID=86679940

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211466597.XA Pending CN116256609A (zh) 2022-11-22 2022-11-22 一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116256609A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115791696A (zh) * 2022-11-15 2023-03-14 吉林大学 Tdlas-wms系统的激光器非线性误差校正方法
CN116449139A (zh) * 2023-06-15 2023-07-18 北京新科以仁科技发展有限公司 激光器的性能检测方法、装置、设备及存储介质

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115791696A (zh) * 2022-11-15 2023-03-14 吉林大学 Tdlas-wms系统的激光器非线性误差校正方法
CN116449139A (zh) * 2023-06-15 2023-07-18 北京新科以仁科技发展有限公司 激光器的性能检测方法、装置、设备及存储介质
CN116449139B (zh) * 2023-06-15 2023-08-18 北京新科以仁科技发展有限公司 激光器的性能检测方法、装置、设备及存储介质

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN116256609A (zh) 一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法
KR101706640B1 (ko) 시간 감쇠 신호들을 분석하기 위한, 광 신호 처리 방법 및 장치
US6356350B1 (en) Wavelength modulation spectroscopy with multiple harmonic detection
CN107063553B (zh) 一种利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的装置和方法
CN108981953B (zh) 一种基于干涉调制原理的激光吸收光谱测温方法和系统
CN113252204B (zh) 一种基于幅度调制的激光吸收光谱温度测量方法
CN111829982A (zh) 多组分气体浓度检测及温度误差修正方法
US20220026577A1 (en) Dispersion gating-based atmospheric composition measurement laser radar
Li et al. Etalon fringe removal of tunable diode laser multi-pass spectroscopy by wavelet transforms
CN111879344B (zh) 基于捷变频与cs技术的快速布里渊光学时域分析仪及方法
US9459209B2 (en) Gas analysis device
CN112577913A (zh) 一种基于光谱吸收原理检测微量气体浓度的方法及系统
CN110879215A (zh) 基于参考补偿的可调谐激光工业废气在线监测装置及方法
CN114993987A (zh) 基于吸收光谱幅值调制的温度及气体浓度测量方法与系统
CN114544547A (zh) 一种用于波长调制光谱信号在线递推解调的方法与系统
Chighine et al. An FPGA-based lock-in detection system to enable chemical species tomography using TDLAS
CN107941467B (zh) 直接获取分布反馈半导体激光源电流调制波长响应的方法
Sun et al. CH4/C2H6 dual gas sensing system using a single mid-infrared laser
CN105136301A (zh) 应用于电光调制型傅立叶光谱仪的光谱分辨率增强方法
CN107255627B (zh) 一种基于级数展开的气体浓度测量方法及其检测装置
CN106442405B (zh) 一种卷烟烟气气相物动态检测方法
GB2424270A (en) Optical monitoring of predetermined substances in blood
Deng et al. Sensitive detection of acetylene by second derivative spectra with tunable diode laser absorption spectroscopy
Xin et al. Harmonic wavelet analysis of TDLAS signals
Cardoso et al. Enhancing methane sensors by sensing without detection

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination