CN116698786A - 一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测系统及方法，面向多组分气体传感需求，以光频梳超快脉冲作为开关调制，以超窄线宽相移光栅借助PZT微位移器针对特定探测气体选择性实施目标波段的窄带波长调谐，实现气体浓度的高灵敏探测，具有探测特异性强，宽带光谱气体覆盖范围广的特点，克服传统TDLAS技术多组分气体传感技术限制，解决现有光频梳宽带光谱探测存在的系统光路结构复杂，长时间连续探测稳定性要求极高、宽带光谱扫描效率低且噪声大、易受低频干扰等问题，实现高灵敏、多组分气体的激光光谱检测。
Description
技术领域
本发明属于激光光谱气体传感技术领域，尤其涉及一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测系统及方法。
背景技术
可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）气体传感技术主要采用可调谐半导体激光器作为光源，通过，施加周期性扫描的驱动信号调节工作温度和驱动电流，进行输出波长的调谐，实现目标气体吸收谱线的完整测量。为了进一步提升TDLAS的浓度检测灵敏度，波长调制光谱法（WMS）在低频波长扫描信号的基础上叠加高频调制，实现超痕量气体传感，已经被广泛应用于大气监测、燃烧诊断、工业安全保障、化学分析等领域。然而，受到窄线宽激光器波长调谐范围的限制，TDLAS通常仅支持覆盖一、两支分子谱线的波长扫描，无法完成多组分气体检测，成为限制其应用的重要瓶颈。
光频梳作为一种新型宽带激光光源，兼具高度相干的宽谱激光特性，为多组分探测提供了有力的支撑。目前。基于光频梳的宽带气体吸收光谱技术包含空间色散光谱、迈克尔逊干涉型傅里叶变换光谱、双光梳光谱三类。虽然大量报道不断证明三类技术的高精度、快速气体光谱测量能力，但要实现稳定快速的宽光谱探测，需要依赖精密的光学仪器和高度复杂的光路结构设计，对系统稳定性要求也极高，因此相关研究往往停留在宽带光谱的验证性采集阶段，长期、稳定、在线气体浓度连续测量还无法完成。同时，基于宽带吸收光谱直接采集的气体检测方法，还需要同时获取未经吸收的光谱信号作为背景谱，以完成气体浓度计算，增加了系统的复杂度，灵敏度也因受噪声和频漂影响，难以进一步提升
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测系统及方法，面向多组分气体传感需求，克服传统TDLAS技术多组分气体传感技术限制，解决现有光频梳宽带光谱探测存在的系统光路结构复杂，长时间连续探测稳定性要求极高、宽带光谱扫描效率低且噪声大、易受低频干扰等问题，实现高灵敏、多组分气体的激光光谱检测。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测系统，包括：
光频梳光源，用于产生具有宽带光谱的脉冲激光作为第一级高频开关调制；
超窄带波长调谐模块，包括前置可调谐滤波器、相移光纤光栅和PZT微位移器，所述前置可调谐滤波器和相移光纤光栅的组合用于选择所述光频梳光源光谱中特定波长的超窄线宽模式，所述PZT微位移器为所述相移光纤光栅提供对应的波长扫描频率和波长调制频率，从而形成第二级中频波长调制，输出超窄线宽探测激光；
气体探测光路，用于实现所述超窄线宽探测激光和待测气体的相互作用，产生透射脉冲激光；
光电探测器，用于接收所述透射脉冲激光并转换成电脉冲信号；
第一级信号解调模块，用于对所述电脉冲信号完成所述第一级高频开关调制的解调，输出电脉冲强度表征信号；
第二级信号解调模块，用于对所述电脉冲强度表征信号完成所述第二级中频波长调制的解调，输出表征气体浓度的二次谐波光谱信号；及
计算模块，用于根据所述二次谐波光谱信号计算所述待测气体的浓度。
进一步地，对于多组分气体的时分复用检测，所述超窄带波长调谐模块包括一个前置可调谐滤波器、若干相移光纤光栅和一个PZT微位移器，每个相移光纤光栅的波长分别对应一种气体的吸收谱线中心波长，所述前置可调谐滤波器和相移光纤光栅的组合用于选择所述光频梳光源光谱中特定波长的超窄线宽模式，各相移光纤光栅分别粘贴在所述PZT微位移器侧表面，由所述PZT微位移器提供对应的波长扫描频率和波长调制频率，从而施加中频波长调制，形成第二级中频波长调制。
进一步地，对于多组分气体的频分复用检测，所述超窄带波长调谐模块包括光纤分束器、光纤耦合器以及若干组前置可调谐滤波器、相移光纤光栅、PZT微位移器的组合，所述光纤分束器将所述脉冲激光分为若干束，在每一所述组合中，所述相移光纤光栅的波长对应一种气体的吸收谱线中心波长，所述前置可调谐滤波器和相移光纤光栅的组合用于选择所述光频梳光源光谱中特定波长的超窄线宽模式，所述相移光纤光栅粘贴在对应的PZT微位移器侧表面，由该PZT微位移器提供对应的波长扫描频率和波长调制频率，以施加中频波长调制，形成第二级中频波长调制，所述光纤耦合器用于将各相移光纤光栅输出的光信号耦合输出至所述气体探测光路。
进一步地，所述第一级信号解调模块包括混频器、射频信号发生器、第一锁相放大器，所述射频信号发生器提供标准频率信号，通过所述混频器对电脉冲信号进行拍频产生差频信号，通过所述第一锁相放大器提取所述差频信号的一次谐波幅值，由此得到对应的电脉冲强度表征信号。
进一步地，所述第二级信号解调模块为第二锁相放大器，用于提取对应于所述第二级中频波长调制频率的二次谐波幅值。
进一步地，还包括数据采集卡，所述数据采集卡用于采集所述第二级信号解调模块输出的二次谐波光谱信号，转换成数字信号输出至所述计算模块。
进一步地，还包括PZT控制器，所述PZT控制器用于根据所述数据采集卡提供的驱动信号驱动所述PZT微位移器产生微位移，其中所述驱动信号为扫描锯齿波和调制正弦波的叠加信号。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测方法，应用于第一方面所述的系统，该方法包括：
（1）对应于特定气体分子谱线，所述超窄带波长调谐模块从所述光频梳光源中选择超窄线宽模式；通过PZT微位移器对相移光纤光栅提供对应的波长扫描频率和波长调制频率，形成第二级中频波长调制，所述相移光纤光栅输出超窄线宽探测激光；
（2）所述光电探测器将气体探测光路中所述超窄线宽探测激光和待测气体相互作用后产生的透射脉冲激光转换成电脉冲信号；
（3）所述第一级信号解调模块对所述电脉冲信号完成第一级高频开关调制的解调，输出电脉冲强度表征信号，其中所述光频梳光源输出的脉冲激光作为所述第一级高频开关调制；
（4）所述第二级信号解调模块对所述电脉冲强度表征信号完成所述第二级中频波长调制的解调，输出表征气体浓度的二次谐波光谱信号；
（5）所述计算模块根据采集的所述二次谐波信号，计算目标气体浓度。
进一步地，在时分复用检测模式下，所述超窄带波长调谐模块包括一个前置可调谐滤波器、n个相移光纤光栅G 1、G 2、…、G n和一个PZT微位移器，所述相移光纤光栅G 1、G 2、…、G n串联，并列粘贴在所述PZT微位移器侧面，分别在波长λ 1、λ 2、…、λ n处同时存在超窄透射窗口，对应于气体g 1、g 2、…、g n的吸收谱线位置；
基于步骤（1），自动定时调节所述前置可调谐滤波器的工作波长，以时分复用方式对准相应待测气体吸收谱线位置，并利用PZT微位移器加以扫描和调制，对于每一种气体分时执行步骤（2）-（5），实现多组分气体的准同步测量。
进一步地，在频分复用检测模式下，所述超窄带波长调谐模块包括可调谐滤波器F 1、F 2、…、F n、相移光纤光栅G 1、G 2、…、G n和PZT微位移器T 1、T 2、…、T n，每一个可调谐滤波器、相移光纤光栅和PZT微位移器组合成一个超窄线宽调制信号通道，所述光频梳光源的输出光信号被平均分束为n个部分，通过光纤导入到所述超窄带波长调谐模块的n个通道中，各个通道分别在波长λ 1、λ 2、…、λ n处输出窄线宽调制探测光，并一同耦合进入气体探测光路，用于气体探测；在n个超窄线宽调制信号通道同时执行步骤（2）-（5），同步获取多种气体浓度。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
1）基于光频梳光源，利用超窄线宽相移光纤光栅，针对特定探测气体选择性实施目标波段的窄带波长调谐，实现气体浓度的高灵敏探测，具有探测特异性强，宽带光谱气体覆盖范围广的特点，可通过时分/频分复用的方式，实现多组分气体的快速同步测量。
2）系统以光频梳超快脉冲作为开关调制，以超窄线宽相移光栅借助PZT微位移器实现窄线宽激光波长调制，具有光谱扫描效率高、响应速度快、灵敏度高、信噪比高的特点；
3） 本发明提出的系统各模块之间仅采用光纤和电信号线连接，系统光路结构简单，具有抗干扰能力强、稳定性好的特点。
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为实施例1中一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测系统的框图；
图2为实施例1中多组分气体时分复用检测方法的流程示意图；
图3为实施例2中一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测系统的框图；
图4为实施例2中多组分气体频分复用检测方法的流程示意图。
附图标记有：1、光频梳光源；2、超窄带波长调谐模块；201、光纤分束器；202、光纤耦合器；21、第一前置可调谐滤波器；211、第二前置可调谐滤波器；212、第三前置可调谐滤波器；22、第一相移光纤光栅；23、第二相移光纤光栅；24、第三相移光纤光栅；25、第一PZT微位移器；251、第二PZT微位移器；252、第三PZT微位移器； 3、气体探测光路；4、光电探测器；5、第一级信号解调模块；51、混频器；52、射频信号发生器；53、第一锁相放大器；6、第二级信号解调模块；61、第二锁相放大器；7、数据采集卡；8、计算模块；9、PZT控制器。
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。
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。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
本申请提供一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测系统，包括：光频梳光源1，用于产生具有宽带光谱的脉冲激光作为第一级高频开关调制；超窄带波长调谐模块2，包括前置可调谐滤波器、相移光纤光栅和PZT微位移器，所述前置可调谐滤波器和相移光纤光栅的组合用于选择所述光频梳光源1光谱中特定波长的超窄线宽模式，所述PZT微位移器为所述相移光纤光栅提供对应的波长扫描频率和波长调制频率，从而形成第二级中频波长调制，输出超窄线宽探测激光；气体探测光路3，用于实现所述超窄线宽探测激光和待测气体的相互作用，产生透射脉冲激光；光电探测器4，用于接收所述透射脉冲激光并转换成电脉冲信号；第一级信号解调模块5，用于对所述电脉冲信号完成所述第一级高频开关调制的解调，输出电脉冲强度表征信号；第二级信号解调模块6，用于对所述电脉冲强度表征信号完成所述第二级中频波长调制的解调，输出表征气体浓度的二次谐波光谱信号；及计算模块8，用于根据所述二次谐波光谱信号计算所述待测气体的浓度。
具体地，所述光频梳光源1是一种宽谱激光光源，以重复频率f r输出飞秒级超短激光脉冲，f r通常为几十至几百兆赫兹；在频域上表现为按照相等频率间隔f r排列的若干窄线宽激光模式。
具体地，所述超窄带波长调谐模块2可配置为一组前置可调谐滤波器、相移光纤光栅、PZT微位移器，以开展单一组分气体检测；所述超窄带波长调谐模块2也可配置为若干前置可调谐滤波器、若干相移光纤光栅、若干PZT微位移器的组合，以开展多组分气体检测。
在一实施例中，对于多组分气体的时分复用检测，所述超窄带波长调谐模块2包括一个前置可调谐滤波器、若干相移光纤光栅和一个PZT微位移器，每个相移光纤光栅的波长分别对应一种气体的吸收谱线中心波长，所述前置可调谐滤波器和相移光纤光栅的组合用于选择所述光频梳光源1光谱中特定波长的超窄线宽模式，各相移光纤光栅分别粘贴在所述PZT微位移器侧表面，由所述PZT微位移器提供对应的波长扫描频率和波长调制频率，从而施加中频波长调制，形成第二级中频波长调制。
在另一实施例中，对于多组分气体的频分复用检测，所述超窄带波长调谐模块2包括光纤分束器201、光纤耦合器202以及若干组前置可调谐滤波器、相移光纤光栅、PZT微位移器的组合，所述光纤分束器201将所述脉冲激光分为若干束，在每一所述组合中，所述相移光纤光栅的波长对应一种气体的吸收谱线中心波长，所述前置可调谐滤波器和相移光纤光栅的组合用于选择所述光频梳光源1光谱中特定波长的超窄线宽模式，所述相移光纤光栅粘贴在对应的PZT微位移器侧表面，由该PZT微位移器提供对应的波长扫描频率和波长调制频率，以施加中频波长调制，形成第二级中频波长调制，所述光纤耦合器202用于将各相移光纤光栅输出的光信号耦合输出至所述气体探测光路3。
具体地，所述气体探测光路3可以为长光程型气体吸收池，也可以为空芯光子晶体光纤等，用于实现待测气体与超窄线宽探测激光的充分相互作用。
在具体实施中，所述光电探测器4根据不同的吸收光谱和调制带宽进行选择。
具体地，所述第一级信号解调模块5包括混频器51、射频信号发生器52、第一锁相放大器53，用于系统第一级高频开关调制的解调，即提取所述电脉冲信号的脉冲幅度，获得脉冲强度表征信号。所述射频信号发生器52提供标准频率信号，通过所述混频器51对电脉冲信号进行拍频产生差频信号，通过所述第一锁相放大器53提取所述差频信号的一次谐波幅值，由此得到对应的电脉冲强度表征信号。
所述脉冲强度表征信号的获取方式为：所述射频信号发生器52输出射频正弦波信号，频率为f r+δf r，即与所述光频梳光源1的脉冲重复频率相差δf r，称为本振信号；所述本振信号通过所述混频器51与所述光电探测器4输出的电脉冲信号产生拍频，获得频率为差频δ f r的电脉冲降频信号；所述第一锁相放大器53从所述电脉冲降频信号中提取对应于所述差频δf r的一次谐波信号，作为所述脉冲强度表征信号。
具体地，所述第二级信号解调模块6为第二锁相放大器61，用于提取对应于所述第二级中频波长调制频率的二次谐波幅值。
具体地，本系统还可以包括数据采集卡7，所述数据采集卡7用于采集所述第二级信号解调模块6输出的二次谐波光谱信号，转换成数字信号输出至所述计算模块8。
具体地，本系统还可以包括PZT控制器9，所述PZT控制器9用于根据所述数据采集卡7提供的驱动信号驱动所述PZT微位移器产生微位移，其中所述驱动信号为扫描锯齿波和调制正弦波的叠加信号，所述数据采集卡7还可以用于提供所述调制正弦波的二倍频信号至所述第二级信号解调模块6作为解调参考。
本申请还提供一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测方法，应用于上述的系统，该方法可以包括：
（1）对应于特定气体分子谱线，所述超窄带波长调谐模块2从所述光频梳光源1中选择超窄线宽模式；通过PZT微位移器对相移光纤光栅提供对应的波长扫描频率和波长调制频率，形成第二级中频波长调制，所述相移光纤光栅输出超窄线宽探测激光；
（2）所述光电探测器4将气体探测光路3中所述超窄线宽探测激光和待测气体相互作用后产生的透射脉冲激光转换成电脉冲信号；
（3）所述第一级信号解调模块5对所述电脉冲信号完成第一级高频开关调制的解调，输出电脉冲强度表征信号，其中所述光频梳光源1输出的脉冲激光作为所述第一级高频开关调制；
（4）所述第二级信号解调模块6对所述电脉冲强度表征信号完成所述第二级中频波长调制的解调，输出表征气体浓度的二次谐波光谱信号；
（5）所述计算模块8根据采集的所述二次谐波信号，计算目标气体浓度。
具体地，在时分复用检测模式下，所述超窄带波长调谐模块2包括一个前置可调谐滤波器、n个相移光纤光栅G 1、G 2、…、G n和一个PZT微位移器。所述相移光纤光栅G 1、G 2、…、G n串联，并列粘贴在所述PZT微位移器侧面，分别在波长λ 1、λ 2、…、λ n处同时存在超窄透射窗口，对应于气体g 1、g 2、…、g n的吸收谱线位置；
基于步骤（1），自动定时调节所述前置可调谐滤波器的工作波长，以时分复用方式对准相应待测气体吸收谱线位置，并利用PZT微位移器加以扫描和调制，对于每一种气体分时执行步骤（2）-（5），实现多组分气体的准同步测量。
具体地，在频分复用检测模式下，所述超窄带波长调谐模块2包括可调谐滤波器F 1、F 2、…、F n、相移光纤光栅G 1、G 2、…、G n和PZT微位移器T 1、T 2、…、T n，每一个可调谐滤波器、相移光纤光栅和PZT微位移器组合成一个超窄线宽调制信号通道。所述光频梳光源1的输出光信号被平均分束为n个部分，通过光纤导入到所述超窄带波长调谐模块2的n个通道中，各个通道分别在波长λ 1、λ 2、…、λ n处输出窄线宽调制探测光，并一同耦合进入气体探测光路3，用于气体探测；
在n个超窄线宽调制信号通道同时执行步骤（2）-（5），同步获取多种气体浓度。
对于多组分气体的时分复用检测和频分复用检测，以下分别结合实施例进行说明。
实施例1
本申请实施例1示出的一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测系统，具备时分复用多组分探测能力，参考图1所示，该系统包括：光频梳光源1、超窄带波长调谐模块2、气体探测光路3、光电探测器4、第一级信号解调模块5、第二级信号解调模块6、数据采集卡7、计算模块8和PZT控制器9。
此实施例中，所述光频梳光源1基于锁模飞秒光纤激光器原理，脉冲重复频率约41.7兆赫兹，输出光谱覆盖1520 ~ 1600纳米，包含氨气、二氧化碳、一氧化碳、氧化亚氮等多种气体分子的近红外泛频吸收。其中以41.7兆赫兹频率重复输出的光脉冲作为系统的第一级高频开关调制。
所述超窄波长调谐模块2包括第一前置可调谐滤波器21、第一相移光纤光栅22、第二相移光纤光栅23、第三相移光纤光栅24和第一PZT微位移器25，用于根据目标气体分子，实现超窄线宽探测激光的波长扫描和调制，作为系统的第二级中频波长调制。
所述第一前置可调谐滤波器21工作波长为1495 ~ 1605纳米，滤波中心波长可调谐，其中3dB带宽为0.3纳米，用于在所述光频梳光源1的输出光谱中选择特定波长的激光模式。
所述第一相移光纤光栅22、第二相移光纤光栅23、第三相移光纤光栅24，在自由状态下工作中心波长分别为1548.85纳米、1567.97纳米、1572.27纳米，透射窗口的3dB带宽均为0.03纳米。其中所述三个工作波长为根据氨气、一氧化碳、二氧化碳三种气体吸收波长定制，三种分子吸收谱线的中心分别约1549.20纳米、1568.03纳米、1572.33纳米，三个相移光栅波长在自由状态下波长略小于上述三种气体吸收谱线中心波长，以满足后续通过扫描和调制对于吸收谱线的覆盖；所述透射窗口的3dB带宽与常用于WMS技术的半导体光源线宽相比拟，远小于对应气体谱线宽度，可在波长调制吸收光谱测量中提供高信噪比。
所述第一PZT微位移器25为长方体堆栈式压电陶瓷组，整体尺寸为7×7×20立方毫米，驱动电压0 ~ 150伏对应位移0 ~ 30微米；以侧面轴向粘接方式固定光栅，通过产生微位移对光栅施加拉伸，改变透射波长，实现波长的调谐。
此实施例中，所述第一前置可调谐滤波器21、第一相移光纤光栅22、第二相移光纤光栅23和第三相移光纤光栅24依次通过光纤串联，由所述可调谐滤波器21通过设置滤波中心波长对不同相移光纤光栅的透射窗口进行选择；所述第一相移光纤光栅22、第二相移光纤光栅23和第三相移光纤光栅24均粘贴在所述第一PZT微位移器25侧表面，由所述第一PZT微位移器25提供10赫兹的波长扫描频率和1.5千赫兹的波长调制频率，其中扫描和调制幅度可根据不同的目标气体谱线参数进行设置。
所述气体探测光路3设置为长光程多次反射型气体吸收池，用于实现待测气体样品与探测激光的相互作用，有效吸收光程为41米。
本实施例中所述光电探测器4为近红外高带宽雪崩光电探测器，用于接收经所述气体探测光路3传播后的微弱光脉冲信号，并转换成电脉冲信号，带宽为200兆赫兹。
此实施例中，所述射频信号发生器52输出的所述本振信号频率为41.75兆赫兹，则所述差频δf r为50千赫兹，所述第一锁相放大器53的低通滤波截止频率设置为10千赫兹，因此获得的所述脉冲强度表征信号中仍保留系统的第二级中频波长调制频率和波长扫描频率。
所述第二级信号解调模块6为第二锁相放大器61，用于系统第二级中频波长调制的解调，从所述脉冲强度表征信号中提取对应于1.5千赫兹波长调制频率的二次谐波成分，所述二次谐波的幅值与待测气体浓度成正比，因此可表征气体浓度。此解调过程采用的二倍频参考信号来自所述数据采集卡7。
所述数据采集卡7，一方面用于采集所述第二级信号解调模块6输出的二次谐波气体浓度表征信号，转换成数字量输出至所述计算模块；另一方面，提供所述第一PZT微位移器25的驱动信号，即10赫兹扫描锯齿波和1.5千赫兹调制正弦波的叠加信号，至所述PZT控制器9；同时，提供所述调制正弦波的二倍频信号至所述第二锁相放大器61作为解调参考。
所述计算模块8，一方面通过软件程序和数据通信控制所述第一前置可调谐滤波器21的滤波中心波长，以选择不同的相移光纤光栅透射波长用于不同的目标气体检测；另一方面，所述计算模块8接收来自所述数据采集卡7的二次谐波信号数字量，根据标定公式计算气体浓度值。
所述PZT控制器9，根据所述数据采集卡提供的驱动信号，驱动所述PZT微位移器25产生微位移，从实现所述第一相移光纤光栅22、第二相移光纤光栅23、第三相移光纤光栅24的透射波长扫描和调制。
所述标定公式的获取方式为：对于气体g i，利用特定相移光纤光栅G i选择波长λ i输出，通过可调谐滤波器选择所述相移光纤光栅G i的透射窗口并，产生波长为λ i的超窄线宽探测激光；利用电压值为Vimin~ Vimax的锯齿波扫描信号驱动PZT微位移器，使所述窄线宽探测激光的波长在λ imin~λ imax范围内周期性扫描，以覆盖气体g i的完整吸收谱线；在锯齿波扫描信号上叠加幅度为Vimod的中频正弦波调制信号，Vimod经过调制深度优化以获得最佳的二次谐波光谱信噪比；设定二次谐波幅值Vi2f 与气体浓度C的比例关系C=a iVi2f +b i作为标定公式，通过测量多个不同浓度气体样品g i获得Vi2f 与C的拟合关系而确定，从而确定未知量a i、b i以获得标定公式。
所述PZT控制器9用于对所述数据采集卡7提供PZT微位移器驱动信号进行放大处理，产生足够的电压以驱动所述第一PZT微位移器25产生定量位移。
本申请实施例1还提供一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测方法，包括：
步骤1）通过所述超窄带波长调谐模块2，根据特定待测气体分子谱线，从所述光频梳光源1中选择产生波长调谐的超窄线宽探测激光，利用低频锯齿波和中频正弦波的叠加信号驱动所述第一PZT微位移器25，对所述窄线宽探测激光波长进行扫描和调制，输出探测光脉冲；
步骤2）所述光电探测器4，接收经过所述气体探测光路3的透射信号光转换成电脉冲信号；
步骤3）通过所述第一级信号解调模块5，由所述电脉冲信号中提取对应于所述光频梳光源脉冲重复频率的一次谐波幅值，获得包含所述中频正弦波调制和所述低频锯齿波扫描频率成分的吸收信号；
步骤4）通过所述第二级信号解调模块6，由所述吸收信号中提取表征气体浓度的二次谐波光谱信号；
步骤5）所述计算模块8根据数据采集卡7所获取的二次谐波光谱信号，计算目标气体浓度。
进一步地，基于该检测方法的一种时分复用多组分气体检测方法由此实施例示出，如下：
由串联连接的所述第一相移光纤光栅22、第二相移光纤光栅23、第三相移光纤光栅24选取所述光频梳光源1光谱中1548.85纳米、1567.97纳米、1572.27纳米波长的窄线宽激光模式，分别对应氨气、一氧化碳、二氧化碳气体吸收谱线。分别执行步骤1）-步骤5）自动定时调节所述第一前置可调谐滤波器21的工作波长，以时分复用方式选通三个工作波长，实现三种气体的准同步测量。
参考图2，其具体检测流程如下步骤：
步骤S01：计算模块8控制数据采集卡7产生叠加有1.5千赫兹正弦波调制信号的锯齿波扫描信号，扫描频率为10赫兹，用于驱动第一PZT微位移器25；
步骤S02：计算模块8控制第一前置可调谐滤波器21，设置滤波中心波长为1549.20纳米，控制数据采集卡7调整锯齿波扫描信号幅度，令超窄带波长调谐模块2输出波长在1549.10 ~ 1549.30纳米之间扫描的波长调制探测光信号，设定目标组分为氨气；
步骤S03：光电探测器4完成电脉冲信号的转换；
步骤S04：第一级信号解调模块5提取电脉冲信号幅值，完成第一级高频开关调制的解调；
步骤S05：第二级信号解调模块6提取二次谐波光谱信号，完成第二级中频波长调制的解调；
步骤S06：计算模块8以1 MSa/s的采样率接收数据采集卡7传输的二次谐波光谱信号采集数据，由二次谐波光谱信号幅值根据标定公式计算氨气浓度，以10赫兹的频率刷新所获得的浓度；
步骤S07：类似步骤S02 ~ S06所述，设定目标组分为一氧化碳，检测一氧化碳浓度；
步骤S08：类似步骤S02 ~ S06所述，设定目标组分为二氧化碳，检测二氧化碳浓度；
步骤S09：返回步骤S02，执行循环。
根据上述流程，系统低频波长扫描频率为10赫兹，即每0.1秒完成一次浓度检测，每1秒进行一次气体组分切换，因此每3秒完成一次所有组分气体的浓度检测值输出。
所述时分复用多组分气体检测方式面向需要灵活选择和切换目标气体，且实效性要求不高的应用场景，具有系统结构简单、成本低、可灵活扩展的特点。
实施例2
本申请实施例2示出的另一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测系统，参考图3所示，该系统相比于实施例1，超窄带波长调谐模块2进行不同的设计与实现，增加了第二前置可调谐滤波器211、第三前置可调谐滤波器212、第二PZT微位移器251、第三PZT微位移器252，相应增加了光纤分束器201、光纤耦合器202。 光频梳光源1、气体探测光路3、光电探测器4、第一级信号解调模块5、第二级信号解调模块6、数据采集卡7、计算模块8、PZT控制器9与实施例1相同，具体如下：
所述超窄带波长调谐模块2包括光纤分束器201、光纤耦合器202、第一前置可调谐滤波器21、第二前置可调谐滤波器211、第三前置可调谐滤波器212、第一相移光纤光栅22、第二相移光纤光栅23、第三相移光纤光栅24、第一PZT微位移器25、第二PZT微位移器251和第三PZT微位移器252，形成三路可调谐滤波器、相移光纤光栅、PZT微位移器的组合，通过所述光纤分束器201、光纤耦合器202以并联方式连接。
进一步地，超窄带波长调谐模块2的三个支路分别针对氨气、一氧化碳、二氧化碳三种气体，输出分别为1548.85纳米、1567.97纳米、1572.27纳米的窄线宽探测激光；所述第一PZT微位移器25、第二PZT微位移器251、第三PZT微位移器252分别根据三种气体的谱线参数提供相位同步、频率相同、幅度不同的波长扫描，并施加不同频率的中频波长调制。
在此实施例中，所述第一PZT微位移器25、第二PZT微位移器251、第三PZT微位移器252的波长扫描频率为10赫兹，波长调制频率分别为1.1千赫兹、1.3千赫兹、1.5千赫兹。
所述第一级信号解调模块5设置与实施例1中相同，获得的所述脉冲强度表征信号中仍保留系统的三组第二级中频波长调制频率和低频波长扫描频率。
所述第二级信号解调模块6中的第二锁相放大器61采取三通道同步工作模式，从所述脉冲强度表征信号中提取分别对应于1.1千赫兹、1.3千赫兹、1.5千赫兹三种频率的二次谐波幅值，此解调过程采用的三路二倍频参考信号来自所述数据采集卡7。
所述数据采集卡7采集所述第二级信号解调模块6输出的三路二次谐波气体浓度表征信号，转换成数字量输出至所述计算模块8；另一方面，所述数据采集卡7提供所述第一PZT微位移器25、第二PZT微位移器251、第三PZT微位移器252的三路驱动信号，同时输出三路调制正弦波的二倍频信号至所述第二锁相放大器61作为解调参考。
所述PZT控制器9，接收到三路驱动信号，对其进行同步放大，同步驱动所述第一PZT微位移器25、第二PZT微位移器251、第三PZT微位移器252。
此实施例基于实施例1提供的气体检测方法，示出了另一种频分复用多组分气体检测方法，如下：
由所述超窄带波长调谐模块2中三个并联通道实现波长1548.85纳米、1567.97纳米、1572.27纳米的超窄线宽探测激光同时输出，合并后输入至所述气体探测光路3。在所述三个并联通道同时执行步骤1）-步骤5），同步获取氨气、一氧化碳、二氧化碳气体浓度。特别地，在步骤1）中针对所述第一PZT微位移器25、第二PZT微位移器251、第三PZT微位移器252的波长调制频率不同，对应在步骤4）所采用的二次谐波解调频率也不同。由此，实现基于多个中频调制频率的三组分气体同步测量。
在此实施例示出的氨气、一氧化碳、二氧化碳三组分气体频分复用检测实例中，所述第一前置可调谐滤波器21、第二前置可调谐滤波器211、第三前置可调谐滤波器212的带宽均为0.3纳米。参考图4，所述三种气体的同步检测流程如下步骤：
步骤S11：计算模块8控制数据采集卡7产生三路锯齿波扫描信号，扫描频率均为10赫兹，用于驱动第一PZT微位移器25、第二PZT微位移器251、第三PZT微位移器252；
步骤S12：计算模块8控制第一前置可调谐滤波器21，设置滤波中心波长为1549.20纳米，控制第二前置可调谐滤波器211，设置滤波中心波长为1568.03纳米，控制第三前置可调谐滤波器212，设置滤波中心波长为1572.33纳米；
步骤S13：计算模块8控制数据采集卡7调整所述三路锯齿波扫描信号的幅度，令第一相移光纤光栅22、第二相移光纤光栅23、第三相移光纤光栅24的输出波长扫描范围分别为1549.10 ~ 1549.30纳米、1567.93 ~ 1568.13纳米、1572.23 ~ 1572.43纳米；
步骤S14：计算模块8控制数据采集卡7在所述三路锯齿波扫描信号上分别叠加频率为1.1千赫兹、1.3千赫兹、1.5千赫兹的正弦波调制信号，调制幅度根据事先的调制深度优化结果进行设置；
步骤S15：光电探测器4完成电脉冲信号的转换；
步骤S16：第一级信号解调模块5提取电脉冲信号幅值，完成第一级高频开关调制的解调；
步骤S17：第二级信号解调模块6分别以2.2千赫兹、2.6千赫兹、3千赫兹正弦波作为参考信号，完成基于三个频率的第二级中频波长调制的解调；
步骤S18：计算模块8以1 MSa/s的采样率接收数据采集卡7传输的三路二次谐波光谱信号采集数据，由二次谐波光谱信号幅值根据各自的标定公式计算氨气、一氧化碳、二氧化碳浓度。
上述流程持续运行，根据10赫兹的波长扫描速率，系统每0.1秒完成一次三种气体测量浓度的同步刷新。
所述频分复用多组分气体检测方式面向对多种气体同步测量时效性要求高的应用场景，能够在每一个波长扫描周期内同时获取多种气体成分的浓度。
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。
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。
Claims (10)
1.一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测系统，其特征在于，包括：
光频梳光源，用于产生具有宽带光谱的脉冲激光作为第一级高频开关调制；
超窄带波长调谐模块，包括前置可调谐滤波器、相移光纤光栅和PZT微位移器，所述前置可调谐滤波器和相移光纤光栅的组合用于选择所述光频梳光源光谱中特定波长的超窄线宽模式，所述PZT微位移器为所述相移光纤光栅提供对应的波长扫描频率和波长调制频率，从而形成第二级中频波长调制，输出超窄线宽探测激光；
气体探测光路，用于实现所述超窄线宽探测激光和待测气体的相互作用，产生透射脉冲激光；
光电探测器，用于接收所述透射脉冲激光并转换成电脉冲信号；
第一级信号解调模块，用于对所述电脉冲信号完成所述第一级高频开关调制的解调，输出电脉冲强度表征信号；
第二级信号解调模块，用于对所述电脉冲强度表征信号完成所述第二级中频波长调制的解调，输出表征气体浓度的二次谐波光谱信号；及
计算模块，用于根据所述二次谐波光谱信号计算所述待测气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测系统，其特征在于，对于多组分气体的时分复用检测，所述超窄带波长调谐模块包括一个前置可调谐滤波器、若干相移光纤光栅和一个PZT微位移器，每个相移光纤光栅的波长分别对应一种气体的吸收谱线中心波长，所述前置可调谐滤波器和相移光纤光栅的组合用于选择所述光频梳光源光谱中特定波长的超窄线宽模式，各相移光纤光栅分别粘贴在所述PZT微位移器侧表面，由所述PZT微位移器提供对应的波长扫描频率和波长调制频率，从而施加中频波长调制，形成第二级中频波长调制。
3.根据权利要求1所述的一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测系统，其特征在于，对于多组分气体的频分复用检测，所述超窄带波长调谐模块包括光纤分束器、光纤耦合器以及若干组前置可调谐滤波器、相移光纤光栅、PZT微位移器的组合，所述光纤分束器将所述脉冲激光分为若干束，在每一所述组合中，所述相移光纤光栅的波长对应一种气体的吸收谱线中心波长，所述前置可调谐滤波器和相移光纤光栅的组合用于选择所述光频梳光源光谱中特定波长的超窄线宽模式，所述相移光纤光栅粘贴在对应的PZT微位移器侧表面，由该PZT微位移器提供对应的波长扫描频率和波长调制频率，以施加中频波长调制，形成第二级中频波长调制，所述光纤耦合器用于将各相移光纤光栅输出的光信号耦合输出至所述气体探测光路。
4.根据权利要求1所述的一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测系统，其特征在于，所述第一级信号解调模块包括混频器、射频信号发生器、第一锁相放大器，所述射频信号发生器提供标准频率信号，通过所述混频器对电脉冲信号进行拍频产生差频信号，通过所述第一锁相放大器提取所述差频信号的一次谐波幅值，由此得到对应的电脉冲强度表征信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测系统，其特征在于，所述第二级信号解调模块为第二锁相放大器，用于提取对应于所述第二级中频波长调制频率的二次谐波幅值。
6.根据权利要求1所述的一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测系统，其特征在于，还包括数据采集卡，所述数据采集卡用于采集所述第二级信号解调模块输出的二次谐波光谱信号，转换成数字信号输出至所述计算模块。
7.根据权利要求6所述的一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测系统，其特征在于，还包括PZT控制器，所述PZT控制器用于根据所述数据采集卡提供的驱动信号驱动所述PZT微位移器产生微位移，其中所述驱动信号为扫描锯齿波和调制正弦波的叠加信号。
8.一种基于光频梳的双级调制吸收光谱气体检测方法，应用于权利要求1-7任一项所述的系统，其特征在于，该方法包括：
（1）对应于特定气体分子谱线，所述超窄带波长调谐模块从所述光频梳光源中选择超窄线宽模式；通过PZT微位移器对相移光纤光栅提供对应的波长扫描频率和波长调制频率，形成第二级中频波长调制，所述相移光纤光栅输出超窄线宽探测激光；
（2）所述光电探测器将气体探测光路中所述超窄线宽探测激光和待测气体相互作用后产生的透射脉冲激光转换成电脉冲信号；
（3）所述第一级信号解调模块对所述电脉冲信号完成第一级高频开关调制的解调，输出电脉冲强度表征信号，其中所述光频梳光源输出的脉冲激光作为所述第一级高频开关调制；
（4）所述第二级信号解调模块对所述电脉冲强度表征信号完成所述第二级中频波长调制的解调，输出表征气体浓度的二次谐波光谱信号；
（5）所述计算模块根据采集的所述二次谐波信号，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，在时分复用检测模式下，所述超窄带波长调谐模块包括一个前置可调谐滤波器、n个相移光纤光栅G 1、G 2、…、G n和一个PZT微位移器，所述相移光纤光栅G 1、G 2、…、G n串联，并列粘贴在所述PZT微位移器侧面，分别在波长λ 1、λ 2、…、λ n处同时存在超窄透射窗口，对应于气体g 1、g 2、…、g n的吸收谱线位置；
基于步骤（1），自动定时调节所述前置可调谐滤波器的工作波长，以时分复用方式对准相应待测气体吸收谱线位置，并利用PZT微位移器加以扫描和调制，对于每一种气体分时执行步骤（2）-（5），实现多组分气体的准同步测量。
10.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，在频分复用检测模式下，所述超窄带波长调谐模块包括可调谐滤波器F 1、F 2、…、F n、相移光纤光栅G 1、G 2、…、G n和PZT微位移器T 1、T 2、…、T n，每一个可调谐滤波器、相移光纤光栅和PZT微位移器组合成一个超窄线宽调制信号通道，所述光频梳光源的输出光信号被平均分束为n个部分，通过光纤导入到所述超窄带波长调谐模块的n个通道中，各个通道分别在波长λ 1、λ 2、…、λ n处输出窄线宽调制探测光，并一同耦合进入气体探测光路，用于气体探测；在n个超窄线宽调制信号通道同时执行步骤（2）-（5），同步获取多种气体浓度。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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