CN116678831A - 一种基于相位补偿的共振式双光梳光声光谱系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相位补偿的共振式双光梳光声光谱系统和方法，包括有双光梳源、分束器、气室、共振型声电换能器、前置放大器、光电探测器、正交检波器、双通道函数发生器、移相器以及锁相放大器；通过正交检波器提取出系统的各个梳齿对下转换后的相位波动信息，并通过移相器将其作用到双通道锁相放大器的二通道，作为锁相放大器的参考输入信号。在这个基础上，光声信号与参考输入信号的相位锁定，从而抑制了相位波动噪声对相敏解调过程的影响，提高了系统的信噪比，用该技术方案可以有效解决共振式双光梳光声光谱系统由于相位波动导致的灵敏度降低问题。
Description
技术领域
本发明涉及双光梳光声光谱技术领域，尤其涉及一种基于相位补偿的共振式双光梳光声光谱系统和方法。
背景技术
光声光谱因其具有高灵敏度、无波长选择性和大动态范围等优势，已广泛应用于痕量气体检测领域，如大气污染监测、工厂排放监测和医疗疾病诊断等。双光梳光声光谱以双光梳源作为激发源，其结合了光声光谱和双光梳光谱的优势，实现了宽光谱范围、高灵敏、高分辨、短时间以及大动态范围的双光梳光声光谱。其原理为，两个重复频率有微小差异的光学频率梳即双光梳，在下转换到声学频域时，由于拍频效应产生低频包络的强度调制，经强度调制的双梳光源与气体分子相互作用后，由于光声效应，在梳齿频率处气体分子吸收光的能量并产生多外差声信号。所产生的多外差声信号频率成分与双光梳各个梳齿对的下转化频率相一致，多外差声信号被共振型声电换能器检测并转化为电信号输出。共振式双光梳光声光谱采用共振型声电器件作为共振型声电换能器，可以实现对多外差声信号中的共振成分进行探测，提高系统的信噪比。其对于实现宽带高灵敏光谱、高分辨分子光谱、多气体检测等领域有着重要意义。
然而，在实际应用中，由于组成双光梳的两个光学频率梳在光学路径上会有微小差异，比如温度、应力等，这种现象在近红外基于光纤的双光梳源中表现尤为明显。这种光学路径的不完全对称性使得两个光学频率梳在合束之后各个梳齿对的低频包络产生相位漂移，从而导致各个梳齿对对应频率的光声信号产生相位漂移。在传统双光梳光声光谱中，只能通过提取低频漂移分量来抑制这种效应，但是对于共振式双光梳光声光谱来说，抑制其梳齿对下转换后特定频率处相位的相位漂移往往更有意义，因为共振式双光梳光声光谱的解调过程用到的锁相放大器需要确保信号和参考的相位锁定。这样的相位漂移对锁相放大器解调过程影响较大，将影响系统的信噪比。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足，提供一种基于相位补偿的共振式双光梳光声光谱系统和方法，该方法通过正交检波器以及光电探测器从多外差信号中提取下转换后的特定频率成分背景光强的相位波动，正交检波器的参考输入端为双通道函数发生器的一通道输出，之后将提取到的相位波动信息通过移相器作用到双通道函数发生器的二通道的输出上，移相后的输出作为锁相放大器的参考输入端，对相位进行补偿，在这样的情况下，锁相放大器的信号输入端以及参考输入端有着一致的相位变化，因此，通过相位补偿实现了对相位的锁定，进而提高系统的信噪比和灵敏度，改进共振式双光梳光声光谱传感系统的性能。
为实现本发明目的而提供的一种基于相位补偿的共振式双光梳光声光谱系统，包括有双光梳源、分束器、气室、共振型声电换能器、前置放大器、光电探测器、正交检波器、双通道函数发生器、移相器以及锁相放大器；分束器的分束比为99:1，其中1％的光进入光电探测器用来提取相位波动信息，99％的光进入气室与气体分子相互作用；所述双光梳源经过分束器分为两路，其中一路与光电探测器连接，用于接受双光梳源的背景光强信号，通过光电效应将双光梳源的强度变化信息转换为电信号输出，输出后的电信号通过正交检波器提取下转换后的特定频率处的相位波动值，并施加到移相器上，正交检波器的参考信号由双通道函数发生器的一通道给出，双通道函数发生器的二通道送入移相器，经移相后由移相器输出，作为锁相放大器的参考信号，双光梳源的另一路进入气室，并与气室中的气体分子相互作用产生光声效应，由光声效应产生的声波通过共振型声电换能器转换为电信号，所述前置放大器将电信号进行放大，并送入锁相放大器进行解调，得到双光梳光声光谱信号。
作为上述方案的进一步改进，所述双光梳源由两个具有微小重复频率差异的光学频率梳组成，由通讯波段的连续波激光器经过电光调制产生，各器件的输入和输出均由光纤集成。
作为上述方案的进一步改进，所述移相器有两个输入端，一个输入端与双通道函数发生器二通道连接，另一个输入端用于将正交检波器提取到的相位波动加载到双通道函数发生器二通道的输出上，作为锁相放大器的参考输入端。
作为上述方案的进一步改进，所述双通道函数发生器一通道、二通道输出同频同相的信号，输出频率的值为共振频率，输出相位设置为零。
一种基于相位补偿的共振式双光梳光声光谱系统的方法，包括有如下步骤：
步骤一：将待测气体样品充入气室中；
步骤二：将双光梳源分为两路，其中一路进入光电探测器，将光强变化信号转换为电信号；另一路进入气室中，与气体分子作用产生声波信号，该声波信号由于光声效应而产生；
步骤三：双通道函数发生器的一通道为正交检波器提供参考信号，正交检波器从光电探测器输出的电信号中提取出相位波动信号，并将该相位波动信号通过移相器作用在双通道函数发生器的二通道输出上，以向锁相放大器提供参考信号；相位波动的产生主要是由于组成双光梳源的两个光学频率梳由于温度、应变等导致的光学路径不对称，在合束之后拍频时导致各个梳齿对的低频包络产生相位漂移。
步骤四：将声波信号由共振型声电换能器转换为电信号，并通过前置放大器进行放大，之后将放大后的信号送入锁相放大器进行解调，由于该信号与参考信号具有相同的相位变化，最终得到经相位补偿后的双光梳光声光谱信号。因此实现了对解调过程的相位补偿，提高了解调精度，即提高了共振式双光梳光声光谱系统的灵敏度。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明提供的一种基于自适应相位补偿的共振式双光梳光声光谱系统和方法，采用正交检波器来提取双光梳源梳齿对下转换频率处的相位波动，再通过移相器将相位波动施加到用于解调光声信号的锁相放大器的参考输入端，通过这样的相位补偿，来实现双光梳光声信号与参考信号相位的锁定，该方法提高了系统的信噪比，抑制了因相位波动带来的解调噪声，对于双光梳光声光谱来说，提高了系统的灵敏度，推进了双光梳光声光谱的应用。
附图说明
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：
图1为共振式双光梳光声光谱装置示意图；
图2为相位补偿装置示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的一种基于相位补偿的共振式双光梳光声光谱系统，示意图如图1所示，双光梳源1、分束器2、气室6、共振型声电换能器5、前置放大器7、光电探测器3、正交检波器4、双通道函数发生器9、移相器10以及锁相放大器8；正交检波器4以一次谐波解调待提取的频率波动分量，正交检波器4的相位输出即为解调频率处的相位波动值，双光梳源1通过分束器2被分为两路，其中一路与光电探测器3连接，用于接受双光梳源的背景光强信号，通过光电效应将双光梳源1的强度变化信息转换为电信号输出，输出后的电信号通过正交检波器4提取下转换后的特定频率处的相位波动值，并施加到移相器10上，正交检波器4的参考信号由双通道函数发生器9的一通道给出，双通道函数发生器9的二通道送入移相器10，经移相后由移相器10输出，作为锁相放大器8的参考信号，双光梳源1的另一路进入气室6，并与气室6中的气体分子相互作用产生光声效应，由光声效应产生的声波通过共振型声电换能器5转换为电信号，典型的共振型声电换能器5可选取石英音叉，前置放大器7将电信号进行放大，并送入锁相放大器8进行解调，得到双光梳光声光谱信号，经相位补偿后，锁相放大器8信号输入端的频率和相位均与参考输入端保持一致。
作为上述方案的进一步改进，双光梳源1由两个光学频率梳组成。同时由于分子弛豫率的要求，双光梳源1各个梳齿对的下转换频率区间位于声频范围。
作为上述方案的进一步改进，移相器10有两个输入端，一个输入端与双通道函数发生器9二通道连接，另一个输入端用于将正交检波器4提取到的相位波动加载到双通道函数发生器9二通道的输出上，作为锁相放大器8的参考输入端。
作为上述方案的进一步改进，双通道函数发生器9一通道、二通道输出同频同相的信号，输出频率的值为共振频率，输出相位设置为零。
一种基于相位补偿的共振式双光梳光声光谱系统的方法，具体的实现过程如图2所示如下：包括有如下步骤：
步骤一：将双光梳源1分为两路，其中一路进入光电探测器3，将光强变化信号转换为电信号；另一路进入气室6中，与气体分子作用产生声波信号，该声波信号由于光声效应而产生；
步骤二：双通道函数发生器9的一通道为正交检波器4提供参考信号，正交检波器4从光电探测器3输出的电信号中提取出相位波动信号，并将该相位波动信号通过移相器10作用在双通道函数发生器9的二通道输出上，以向锁相放大器8提供参考信号；
步骤三：将声波信号由共振型声电换能器5转换为电信号，并通过前置放大器7进行放大，之后将放大后的信号送入锁相放大器8进行解调，得到最终经相位补偿后的双光梳光声光谱信号。由于该信号与参考信号具有相同的相位变化，因此实现了对解调过程的相位补偿，提高了解调精度，即提高了共振式双光梳光声光谱系统的灵敏度。
本发明中正交检波器4的工作原理是，通过两路有着90度相位差的相敏解调，提取出输入信号相对于参考输出端的相位差，即每个梳齿对对应频率的相位相对零相位的变化情况，也就是光声信号的相位相对零相位的变化情况。
本发明中，由于相位补偿过程，锁相放大器8输入的光声信号与参考信号(即经移相后的双通道函数发生器9的二通道信号)的有着相同的相位变化。
本发明中，提供的一种共振型声电换能器5方案为：采用石英音叉作为共振型声电换能器5，利用石英音叉的窄响应带宽、免疫环境噪声等特点，进一步提高系统的信噪比。
本发明中，双光梳源提供的一种分束方案为：1％进入光电探测器5，99％准直入射气室6。
以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种基于相位补偿的共振式双光梳光声光谱系统，其特征在于：包括有双光梳源(1)、分束器(2)、气室(6)、共振型声电换能器(5)、前置放大器(7)、光电探测器(3)、正交检波器(4)、双通道函数发生器(9)、移相器(10)以及锁相放大器(8)；所述双光梳源(1)经过分束器(2)分为两路，其中一路与光电探测器(3)连接，通过光电效应将双光梳源(1)的强度变化信息转换为电信号输出，输出后的电信号通过正交检波器(4)提取下转换后的特定频率处的相位波动值，并施加到移相器(10)上，正交检波器(4)的参考信号由双通道函数发生器(9)的一通道给出，双通道函数发生器(9)的二通道送入移相器(10)，经移相后由移相器(10)输出，作为锁相放大器(8)的参考信号；双光梳源(1)的另一路进入气室(6)，并与气室(6)中的气体分子相互作用产生光声效应，由光声效应产生的声波通过共振型声电换能器(5)转换为电信号，所述前置放大器(7)将电信号进行放大，并送入锁相放大器(8)进行解调，得到双光梳光声光谱信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位补偿的共振式双光梳光声光谱系统和方法，其特征在于：所述双光梳源(1)由两个具有微小重复频率差异的光学频率梳组成。
3.根据权利要求2所述的一种基于相位补偿的共振式双光梳光声光谱系统和方法，其特征在于：所述移相器(10)有两个输入端，一个输入端与双通道函数发生器(9)二通道连接，另一个输入端用于将正交检波器(4)提取到的相位波动加载到双通道函数发生器(9)二通道的输出上，作为锁相放大器(8)的参考输入端。
4.根据权利要求3所述的一种基于相位补偿的共振式双光梳光声光谱系统和方法，其特征在于：所述双通道函数发生器(9)一通道、二通道输出同频同相的信号。
5.一种应用权利要求4所述的基于相位补偿的共振式双光梳光声光谱系统的方法，其特征在于：包括有如下步骤：
步骤一：将待测气体样品充入气室(6)中；
步骤二：将双光梳源(1)分为两路，其中一路进入光电探测器(3)，将光强变化信号转换为电信号；另一路进入气室(6)中，与气体分子作用产生声波信号，该声波信号由于光声效应而产生；
步骤三：双通道函数发生器(9)的一通道为正交检波器(4)提供参考信号，正交检波器(4)从光电探测器(3)输出的电信号中提取出相位波动信号，并将该相位波动信号通过移相器(10)作用在双通道函数发生器(9)的二通道输出上，以向锁相放大器(8)提供参考信号；
步骤四：将声波信号由共振型声电换能器(5)转换为电信号，并通过前置放大器(7)进行放大，之后将放大后的信号送入锁相放大器(8)进行解调，得到经相位补偿后的双光梳光声光谱信号。
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