CN116879228A - 一种自由空间相位补偿激光气体检测系统及浓度反演方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自由空间相位补偿激光气体检测系统及浓度反演方法，该系统包括、反射光学装置、透射光学装置和数据处理单元；其中，主控装置通过光纤分束器分为自由空间探测激光光束和校准光束；自由空间探测激光光束送给反射光学装置，被半反射镜分为自由空间探测激光透射光束和自由空间探测激光反射光束，获取得到携带相位抖动信息高度相关的两个信号，提取得到包括相位信息的二次谐波信号与包括相位信息的一次谐波信号通过混频器进行混合，从而能有效的减少外界环境引起的相位抖动问题，并能提高自由空间测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及环境光学领域，具体的说是针对自由空间检测时，仪器的应用环境所带来的相位波动影响，提出一种自由空间相位补偿激光气体检测系统及其浓度反演方法。
背景技术
与其他气体传感器相比，基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)的传感器具有非接触、选择性高、实时测量、高分辨率、高灵敏度、快速响应等优点。在利用激光光谱技术进行自由空间气体检测时，空气湍流、温度漂移等环境因素可能会使光束中引入过多的相位波动、光束漂移、散斑和到达角变化，使光波的强度、相位在时间和空间上都呈现随机起伏状态，从而造成光束传输时的畸变及光能损失等现象，降低气体测量的准确性。因此有效的提高测量稳定性、提高检测灵敏度具有重要研究意义。
现有的自由空间激光气体检测系统，大部分为对射式开放光路，即红外信号发射端与红外信号接收端分别安装在相互远离的两地，红外信号沿直线路径穿过大气，这种传感器的缺陷在于，分置于两地的红外信号发射端和红外信号接收端均需要对各自的安装角度进行精确调整，调试过程费时费力，空气湍流等环境因素造成的影响大多未考虑，或者采用简单的平均的方法或者提高扫描频率的方法，但直接平均的方法容易造成线型展宽，影响测量准确性；提高扫描频率会导致平时的电流源、温度控制器的不能使用，增加硬件成本，且只考虑了湍流的低频噪声影响，并没有考虑相位抖动的影响。
发明内容
鉴于现有技术方法存在的不足，本发明提出一种自由空间相位补偿激光气体检测系统及浓度反演方法，以期能有效的减少外界环境引起的相位抖动问题，并能提高自由空间测量精度和气体检测的准确性。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种自由空间相位补偿激光气体检测系统的特点在于，包括：主控装置、反射光学装置、透射光学装置和数据处理单元组成；
所述主控装置由函数发生器、电流源、温度控制器、激光二极管、光纤分束器、第一放大滤波电路、第二放大滤波电路、混频器、准直器、标准参考气池、第三光电探测器、显示模块构成；
所述反射光学装置由设置在保护筒中的准直器、菲涅尔透镜、窗片、窗口、第二光电探测器，以及角反射镜组成；
所述透射光学装置由半反射镜，以及由设置在保护筒中的窗片、菲涅尔透镜、第一光电探测器组成；
所述函数发生器提供调制信号，并传输给所述电流源，所述电流源通过控制电流来调谐所述激光二极管，同时所述温度控制器通过控制温度来调谐所述激光二极管，使得所述激光二极管稳定输出一定波长的激光光束，并通过所述光纤分束器分为自由空间探测激光光束和校准光束；
所述自由空间探测激光光束经所述准直器后，穿越所述菲涅尔透镜中心的开孔，并依次通过起灰尘防护的窗片和所述窗口后，发射到自由空间，其中，所述窗片倾斜放置在保护筒中，并在距离为L1处放置一个镀金的角反射镜，用于将所述自由空间中的光束反射到所述半反射镜上，并被分为自由空间探测激光透射光束和自由空间探测激光反射光束；
所述自由空间探测激光透射光束依次经过窗片和菲涅尔透镜聚焦后，由放置在二维可移动架上的第一光电探测器接收，从而将光信号转换为第一探测电信号Id，其中，所述自由空间探测激光透射光束经过吸收光程为2×L1的透射光路；
所述自由空间探测激光反射光束发射到自由空间，并沿原始光路返回所述角反射镜后，依次经过所述窗口、窗片和所述菲涅尔透镜聚焦后，由放置在二维可移动架上的第二光电探测器接收，从而将光信号转换为第二探测电信号Ir，其中，所述自由空间探测激光反射光束经过吸收光程为4×L1米的反射光路；
所述第一探测电信号Id经过所述第一放大滤波电路的放大和滤波处理后，得到包括相位的二次谐波信号，所述第二探测电信号Ir经过所述第二放大滤波电路的放大和滤波处理后，得到包括相位的一次谐波信号；
所述混频器将所述二次谐波信号与一次谐波信号进行混合后，得到待反演信号；
所述校准光束经所述准直器的准直后，通过所述标准参考气池到达所述第三光电探测器，用于将光信号转换为第三标准电信号Iy，所述第三标准电信号Iy与所述待反演信号分别传输到所述数据处理单元中进行浓度反演，得到的气体浓度在所述显示模块上进行显示。
本发明一种自由空间激光吸收光谱气体测量的浓度反演方法的特点在于，是基于所述的自由空间相位补偿激光气体检测系统，并按如下步骤进行：
步骤1.利用式(1)对第一探测电信号Id进行傅里叶变换展开表示；
式(1)中，An表示第一探测电信号n阶的傅里叶系数，ω表示角频率，Ψ表示相位延迟；
步骤2.利用式(2)对第二探测电信号Ir进行傅里叶变换展开表示；
式(1)中，A′n表示第二探测电信号n阶的傅里叶系数；
步骤3.利用式(3)得到所述第一探测电信号Id的二次信号，记为透射光路二次信号
式(3)中，A2表示透射光路二次信号的系数；
步骤4.利用式(4)得到所述反射光路信号Ir的一次信号，记为反射光路一次信号
式(4)中，A1′表示反射光路一次信号的系数；
步骤5.利用式(5)得到混合后的信号If；
步骤6.利用滤波器对混合后的信号If进行滤波处理，得到混合后的一次谐波信号I1f；
步骤7.对第三标准电信号Iy进行处理，得到第三标准电信号Iy的二次谐波信号
步骤8.将二次谐波信号和混合后的一次谐波信号I1f进行反演，从而得到相位校正后的气体浓度。
与现有的技术相比较，本发明的有益效果体现在：
1、本发明自由空间探测光路巧妙地利用半反射镜将角反射镜送回的光束按照5:5分为自由空间探测激光透射光束和自由空间探测激光反射光束，进而获取携带相位抖动信息高度相关的两个信号，以消除湍流的相位噪声。
2、本发明分别获取透射光路二次信号反射光路一次信号/>研究信号的相位噪声与谐波之间的映射关系，巧妙地进行混频处理，可以快速的将相位波动降至20Hz范围内，从而降低了自由空间湍流影响。
3、本发明包括相位信息的二次谐波信号与所述包括相位信息的一次谐波信号通过混频器进行混合，有效的减少了外界环境引起的相位抖动问题，简单快速，提高了自由空间测量精度。
附图说明
图1为本发明一种自由空间相位补偿激光气体检测系统的示意图；
图2本发明透射光学装置图；
图3本发明的一种自由空间相位补偿激光气体浓度反演方法的流程图；
图4为本发明实施案例中的结果图。
具体实施方式
本实施例中，参见图1，一种自由空间相位补偿激光气体检测系统由主控装置、反射光学装置、透射光学装置和数据处理单元19组成，包括：函数发生器1、电流源2、温度控制器3、激光二极管4、光纤分束器5、准直器6、菲涅尔透镜7、窗片8、窗口9、角反射镜10、半反射镜11、窗片12、菲涅尔透镜13、第一光电探测器14、第二光电探测器15、第一放大滤波电路16、第二放大滤波电路17、混频器18、数据处理单元19、准直器20、标准参考气池21、第三光电探测器22、显示模块23。
其中主控装置由函数发生器1、电流源2、温度控制器3、激光二极管4、光纤分束器5、第一放大滤波电路16、第二放大滤波电路17、混频器18、准直器20、标准参考气池21、第三光电探测器22、显示模块23构成；反射光学装置由设置在保护筒中的准直器6、菲涅尔透镜7、窗片8、窗口9、第二光电探测器15，以及角反射镜10组成；透射光学装置参见图2，由半反射镜11，以及由设置在保护筒中的窗片12、菲涅尔透镜13、第一光电探测器14组成。
使用DFB激光二极管4作为检测光源进行测量，温度控制器3和电流源2分别用于控制激光器的温度和电流输出，函数发生器1提供调制信号，即锯齿波扫描信号与正弦波调制信号，调谐激光稳定输出，并传输给电流源2，电流源2通过控制电流来调谐激光二极管4，同时温度控制器3通过控制温度来调谐激光二极管4，使得激光二极管4稳定输出一定波长的激光光束，激光器发出的光束通过9:1光纤分束器5分为自由空间的探测光束和校准光束。
自由空间的探测光束的激光经准直器6准直后穿越菲涅尔透镜7中心的开孔，并依次通过起灰尘防护的窗片8和窗口9后，然后发射到自由空间，其中，窗片8倾斜放置在保护筒中。在L1米的远处，光束通过一个镀金的角反射镜10被反射到透射光学装置的半反射镜11上，被分为自由空间探测激光透射光束和自由空间探测激光反射光束；自由空间探测激光透射光束依次经过窗片12和菲涅尔透镜13聚焦后，由放置在二维可移动架上的第一光电探测器14接收；自由空间探测激光反射光束发射到自由空间，并沿原始光路返回角反射镜10后，依次经过窗口9、窗片8和菲涅尔透镜7聚焦后，由放置在二维可移动架上的第二光电探测器15接收。
为了获得相同的湍流效应，第一光电探测器14和第二光电探测器15尽可能靠近地安装。校准光束经准直器20准直后，通过光学长度为10cm的标准参考5％气池21到达第三光电探测器22。分别采集第一光电探测器14、第二光电探测器15和第三光电探测器22的电压信号依次记为第一探测电信号Id、第二探测电信号Ir和第三标准电信号Iy。
第一探测电信号Id经过第一放大滤波电路16，第二探测电信号Ir经过第二放大滤波电路17后，利用混频器18进行混合，传输到数据处理单元19中与第三标准电信号Iy进行处理浓度反演，得到的气体浓度在显示模块23上进行显示。
参见图3，本实施例中，一种自由空间相位补偿激光气体浓度反演方法，是按如下步骤进行：
利用式(1)对第一探测电信号Id进行傅里叶变换展开表示；
式(1)中，An表示第一探测电信号n阶的傅里叶系数，ω表示角频率，Ψ表示相位延迟；
步骤2.利用式(2)对第二探测电信号Ir进行傅里叶变换展开表示；
式(1)中，A′n表示第二探测电信号n阶的傅里叶系数；
步骤3.利用式(3)得到第一探测电信号Id的二次信号，记为透射光路二次信号
式(3)中，A2表示透射光路二次信号的系数；
步骤4.利用式(4)得到反射光路信号Ir的一次信号，记为反射光路一次信号
式(4)中，A1′表示反射光路一次信号的系数；
步骤5.利用式(5)得到混合后的信号If；
步骤6.利用滤波器对混合后的信号If进行滤波处理，得到混合后的一次谐波信号I1f；
步骤7.对第三标准电信号Iy进行处理，得到第三标准电信号Iy的二次谐波信号
步骤8.将二次谐波信号和混合后的一次谐波信号I1f进行反演，从而得到相位校正后的气体浓度。
为了验证本发明方法的效果，本实施例中利用所建立的一种自由空间相位补偿激光气体检测系统进行了模拟实验。由于相位补偿抑制了受湍流影响的相位波动，我们相信，与没有相关补偿相比，测量的准确性可以得到显著提高。利用本发明方法与和传统方法分别处理，结果图如图4所示，本发明方法的标准偏差为0.034，显著低于传统方法的0.1478的标准偏差。
Claims (2)
1.一种自由空间相位补偿激光气体检测系统，其特征在于，包括：主控装置、反射光学装置、透射光学装置和数据处理单元(19)组成；
所述主控装置由函数发生器(1)、电流源(2)、温度控制器(3)、激光二极管(4)、光纤分束器(5)、第一放大滤波电路(16)、第二放大滤波电路(17)、混频器(18)、准直器(20)、标准参考气池(21)、第三光电探测器(22)、显示模块(23)构成；
所述反射光学装置由设置在保护筒中的准直器(6)、菲涅尔透镜(7)、窗片(8)、窗口(9)、第二光电探测器(15)，以及角反射镜(10)组成；
所述透射光学装置由半反射镜(11)，以及由设置在保护筒中的窗片(12)、菲涅尔透镜(13)、第一光电探测器(14)组成；
所述函数发生器(1)提供调制信号，并传输给所述电流源(2)，所述电流源(2)通过控制电流来调谐所述激光二极管(4)，同时所述温度控制器(3)通过控制温度来调谐所述激光二极管(4)，使得所述激光二极管(4)稳定输出一定波长的激光光束，并通过所述光纤分束器(5)分为自由空间探测激光光束和校准光束；
所述自由空间探测激光光束经所述准直器(6)后，穿越所述菲涅尔透镜(7)中心的开孔，并依次通过起灰尘防护的窗片(8)和所述窗口(9)后，发射到自由空间，其中，所述窗片(8)倾斜放置在保护筒中，并在距离为L1处放置一个镀金的角反射镜(10)，用于将所述自由空间中的光束反射到所述半反射镜(11)上，并被分为自由空间探测激光透射光束和自由空间探测激光反射光束；
所述自由空间探测激光透射光束依次经过窗片(12)和菲涅尔透镜(13)聚焦后，由放置在二维可移动架上的第一光电探测器(14)接收，从而将光信号转换为第一探测电信号Id，其中，所述自由空间探测激光透射光束经过吸收光程为2×L1的透射光路；
所述自由空间探测激光反射光束发射到自由空间，并沿原始光路返回所述角反射镜(10)后，依次经过所述窗口(9)、窗片(8)和所述菲涅尔透镜(7)聚焦后，由放置在二维可移动架上的第二光电探测器(15)接收，从而将光信号转换为第二探测电信号Ir，其中，所述自由空间探测激光反射光束经过吸收光程为4×L1米的反射光路；
所述第一探测电信号Id经过所述第一放大滤波电路(16)的放大和滤波处理后，得到包括相位的二次谐波信号，所述第二探测电信号Ir经过所述第二放大滤波电路(17)的放大和滤波处理后，得到包括相位的一次谐波信号；
所述混频器(18)将所述二次谐波信号与一次谐波信号进行混合后，得到待反演信号；
所述校准光束经所述准直器(20)的准直后，通过所述标准参考气池(21)到达所述第三光电探测器(22)，用于将光信号转换为第三标准电信号Iy，所述第三标准电信号Iy与所述待反演信号分别传输到所述数据处理单元(19)中进行浓度反演，得到的气体浓度在所述显示模块(23)上进行显示。
2.一种自由空间激光吸收光谱气体测量的浓度反演方法，其特征在于，是基于权利要求1所述的自由空间相位补偿激光气体检测系统，并按如下步骤进行：
步骤1.利用式(1)对第一探测电信号Id进行傅里叶变换展开表示；
式(1)中，An表示第一探测电信号n阶的傅里叶系数，ω表示角频率，Ψ表示相位延迟；
步骤2.利用式(2)对第二探测电信号Ir进行傅里叶变换展开表示；
式(1)中，An′表示第二探测电信号n阶的傅里叶系数；
步骤3.利用式(3)得到所述第一探测电信号Id的二次信号，记为透射光路二次信号Id 2f；
式(3)中，A2表示透射光路二次信号的系数；
步骤4.利用式(4)得到所述反射光路信号Ir的一次信号，记为反射光路一次信号Ir 1f；
式(4)中，A1′表示反射光路一次信号的系数；
步骤5.利用式(5)得到混合后的信号If；
步骤6.利用滤波器对混合后的信号If进行滤波处理，得到混合后的一次谐波信号I1f；
步骤7.对第三标准电信号Iy进行处理，得到第三标准电信号Iy的二次谐波信号
步骤8.将二次谐波信号和混合后的一次谐波信号I1f进行反演，从而得到相位校正后的气体浓度。
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