CN117091637A - 基于双光学频率梳的气体检测系统及方法 - Google Patents

基于双光学频率梳的气体检测系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117091637A
CN117091637A CN202311329620.5A CN202311329620A CN117091637A CN 117091637 A CN117091637 A CN 117091637A CN 202311329620 A CN202311329620 A CN 202311329620A CN 117091637 A CN117091637 A CN 117091637A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas
signal
initial
path
light
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.)
Granted
Application number
CN202311329620.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN117091637B (zh
Inventor
宋家争
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.)
Northwestern Polytechnical University
Original Assignee
Northwestern Polytechnical University
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 Northwestern Polytechnical University filed Critical Northwestern Polytechnical University
Priority to CN202311329620.5A priority Critical patent/CN117091637B/zh
Publication of CN117091637A publication Critical patent/CN117091637A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN117091637B publication Critical patent/CN117091637B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
    • G01D5/35335—Aspects of emitters or receivers used by an interferometer in an optical fibre sensor arrangement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00—Testing of engines
    • G01M15/04—Testing internal-combustion engines
    • G01M15/05—Testing internal-combustion engines by combined monitoring of two or more different engine parameters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本申请涉及气体检测领域，提供了一种基于双光学频率梳的气体检测系统及方法，包括：双光学频率梳光源；分束器，将信号光分为强度相同的第一路信号光和第二路信号光；光束整形子系统，对第一路信号光和第二路信号光进行调整，以形成光路相互垂直的第一调整信号光和第二调整信号光；探测器子系统，包含第一二维探测器阵列和第二二维探测器阵列，用于对经过待测气体的第一调整信号光和第二调整信号光进行光电转换，以生成第一初始干涉图信号和第二初始干涉图信号；信号处理子系统，用于根据第一初始干涉图信号和第二初始干涉图信号确定与待测气体对应的三维场分布信息。本申请采用结构简单的气体检测系统实现高灵敏度、高精准度、高效率的气体检测。

Description

基于双光学频率梳的气体检测系统及方法
技术领域
本申请涉及气体检测及激光器技术领域，具体涉及一种基于双光学频率梳的气体检测系统和一种基于双光学频率梳的气体检测方法。
背景技术
发动机燃烧产生的尾焰气体种类、浓度、温度等参数分布是反映发动机燃烧状态的重要参数，可以帮助研发人员更全面地了解燃烧过程，优化发动机设计，提高工作性能。
目前，尾焰气体种类、浓度和温度场的无接触测量方式主要有：CCD比色测温法、相干反斯托克斯拉曼散射光谱法，以及可调谐半导体激光吸收光谱法等，虽然这些测量方式具有非接触测量、测量温度上限不受限制等优势，但是CCD比色测温法的温度测量精度低、无法测量气体种类，相干反斯托克斯拉曼散射光谱法需要光和物质进行非线性作用、探测效率低，可调谐半导体激光吸收光谱法在测试时需要调谐激光器频率从而使气体吸收，一般只能测单组分的少量分子吸收谱线，无法满足尾焰测量中的多组分测量需求。
发明内容
本申请的目的在于提供一种基于双光学频率梳的气体检测系统，以及一种基于双光学频率梳的气体检测方法，用于解决现有技术中存在的无法测量气体中的多组分气体信息、测量精度低和效率低的问题。
本申请的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本申请的实践而习得。
根据本申请的第一方面，提供一种基于双光学频率梳的气体检测系统，包括：双光学频率梳光源，用于产生信号光；分束器，与所述双光学频率梳光源连接，用于将所述信号光分为强度相同的第一路信号光和第二路信号光；光束整形子系统，与所述分束器连接，用于对所述第一路信号光和所述第二路信号光进行调整，以形成光路相互垂直的第一调整信号光和第二调整信号光；探测器子系统，与所述光束整形子系统连接，包含第一二维探测器阵列和第二二维探测器阵列，所述第一二维探测器阵列用于对经过待测气体的所述第一调整信号光进行光电转换，以生成第一初始干涉图信号，所述第二二维探测器阵列用于对经过所述待测气体的所述第二调整信号光进行光电转换，以生成第二初始干涉图信号；信号处理子系统，与所述探测器子系统连接，用于接收所述第一初始干涉图信号和所述第二初始干涉图信号，并根据所述第一初始干涉图信号和所述第二初始干涉图信号确定与所述待测气体对应的三维场分布信息，所述三维场分布信息包括气体成分、气体浓度、气体压强、气体流速和温度。
在本申请的一些实施例中，基于前述方案，所述光束整形子系统包括第一光束整形器和第二光束整形器，所述第一光束整形器用于接收所述第一路信号光，并对所述第一路信号光进行调整形成所述第一调整信号光，所述第二光束整形器用于接收所述第二路信号光，并对所述第二路信号光进行调整形成所述第二调整信号光。
在本申请的一些实施例中，基于前述方案，所述第一二维探测器阵列与所述第一光束整形器的光输出面平行设置，且所述第一二维探测器阵列上的探测器的排布形状与所述第一调整信号光的光场形状相同；所述第二二维探测器阵列与所述第二光束整形器的光输出面平行设置，且所述第二二维探测器阵列上的探测器的排布形状与所述第二调整信号光的光场形状相同。
在本申请的一些实施例中，基于前述方案，基于双光学频率梳的气体检测系统还包括：高非线性光纤，与所述双光学频率梳光源连接，用于将所述信号光转换为超连续谱；滤波器，与所述高非线性光纤连接，用于从所述超连续谱中提取目标光谱范围的信号光，并将所述目标光谱范围的信号光输入至所述分束器中。
根据本申请的第二方面，提供一种基于双光学频率梳的气体检测方法，包括：通过所述分束器将所述双光学频率梳光源输出的信号光分为强度相同的第一路信号光和第二路信号光；通过所述光束整形子系统中的第一光束整形器对所述第一路信号光进行调整，生成第一调整信号光；通过所述光束整形子系统中的第二光束整形器对所述第二路信号光进行调整，生成与所述第一调整信号光的光路相垂直的第二调整信号光；通过所述探测器子系统中的第一二维探测器阵列对经过所述待测气体的所述第一调整信号光进行光电转换，生成第一初始干涉图信号；通过所述探测器子系统中的第二二维探测器阵列对经过所述待测气体的所述第二调整信号光进行光电转换，生成第二初始干涉图信号；通过所述信号处理子系统根据所述第一初始干涉图信号和所述第二初始干涉图信号确定与所述待测气体对应的三维场信息。
在本申请的一些实施例中，基于前述方案，所述第一初始干涉图信号中包含的初始干涉图信号的数量与所述第一二维探测器阵列中光电探测器的数量相同，所述第二初始干涉图信号中包含的初始干涉图信号的数量与所述第二二维探测器阵列中光电探测器的数量相同；
所述通过所述信号处理子系统根据所述第一初始干涉图信号和所述第二初始干涉图信号确定与所述待测气体对应的三维场信息，包括：
对所述第一初始干涉图信号和所述第二初始干涉图信号中的初始干涉图信号进行轮询，将任意一组初始干涉图信号作为目标初始干涉图信号；将与所述目标初始干涉图信号对应的所有单周期干涉信号进行幅度叠加，以获取有效干涉图信号；根据所述有效干涉图信号和所述双光学频率梳光源的光谱信号确定气体吸收谱信号；对所述气体吸收谱信号进行分析，以获取与所述目标初始干涉图信号对应的路径气体信息；根据所述第一初始干涉图信号对应的路径气体信息、所述第二初始干涉图信号对应的路径气体信息和所述气体吸收谱信号，确定与所述待测气体对应的三维场分布信息。
在本申请的一些实施例中，基于前述方案，所述根据所述有效干涉图信号和所述双光学频率梳光源的光谱信号确定气体吸收谱信号，包括：对所述有效干涉图信号进行傅里叶变换，以获取叠加信号；从所述叠加信号中去除所述双光学频率梳光源的光谱信号，以获取所述气体吸收谱信号。
在本申请的一些实施例中，基于前述方案，所述对所述气体吸收谱信号进行分析，以获取与所述目标初始干涉图信号对应的路径气体信息，包括：
根据吸收谱标准模型数据库中的标准气体吸收谱数据构建吸收谱仿真模型，通过调节所述吸收谱仿真模型中的气体参数，获取仿真吸收谱信号；采用最小二乘法对所述仿真吸收谱信号和所述气体吸收谱信号进行对比，以获取信号偏差率；将所述信号偏差率与预设阈值进行比较，当所述信号偏差率小于或等于所述预设阈值时，将与所述仿真吸收谱信号对应的气体参数作为所述路径气体信息。
在本申请的一些实施例中，基于前述方案，所述根据所述第一初始干涉图信号对应的路径气体信息、所述第二初始干涉图信号对应的路径气体信息和所述气体吸收谱信号，确定与所述待测气体对应的三维场分布信息，包括：
基于所述气体吸收谱信号确定初始三维场信息，所述初始三维场信息包含所有路径交点处的气体压强、气体流速、气体浓度和温度；
对所述初始三维场信息进行插值处理，并根据插值后的气体参数值、与所述第一初始干涉图信号对应的路径气体信息和与所述第二初始干涉图信号对应的路径气体信息确定所述三维场分布信息。
在本申请的一些实施例中，基于前述方案，所述基于所述气体吸收谱信号确定初始三维场信息，包括：
根据初始气体参数值和各路径对应的入射光强度，确定与各所述路径对应的出射光强度；
将所述出射光强度与所述气体吸收谱信号的强度进行比对；
当所述出射光强度与所述气体吸收谱信号的强度之间的强度差小于或等于预设强度阈值时，将所述初始气体参数值作为所述初始三维场信息；
当所述出射光强度与所述气体吸收谱信号的强度之间的强度差大于预设强度阈值时，修正所述初始气体参数值，直至所述强度差小于或等于所述预设强度阈值，并将修正后的气体参数值作为所述初始三维场信息；
所述对所述初始三维场信息进行插值处理，并根据插值后的气体参数值、与所述第一初始干涉图信号对应的路径气体信息和与所述第二初始干涉图信号对应的路径气体信息确定所述三维场分布信息，包括：
沿所述待测气体的传输方向，将所述初始三维场信息对应的三维空间划分为多个二维平面；
对每个所述二维平面对应的气体参数值进行二维插值，以获取插值气体参数值；
根据与所有所述二维平面对应的插值气体参数值和所述路径气体信息中的气体成分确定所述三维场分布信息；或者
对所述初始三维场信息进行三维插值，并根据插值得到的插值气体参数值和所述路径气体信息中的气体成分确定所述三维场分布信息。
本申请中的基于双光学频率梳的气体检测系统及方法，一方面，采用双光学频率梳作为光源，能够实现宽光谱、高灵敏度和高分辨率的气体探测，并且还能实现多组分同时探测；另一方面，采用第一二维探测器阵列和第二二维探测器阵列对光路垂直的第一调整信号光和第二调整信号光进行光电转换生成多组初始干涉图信号，并基于多组初始干涉图信号对应的气体吸收谱信号和标准模型数据库中的气体标准吸收谱数据确定路径气体信息，进而根据路径气体信息和气体吸收谱信号确定三维场分布信息，能够提高气体检测的效率和精准度。
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。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请一实施例中基于双光学频率梳的气体检测系统的架构示意图。
图2示出了本申请一实施例中基于双光学频率梳的气体检测系统的架构示意图。
图3示出了本申请一实施例中基于双光学频率梳的气体检测方法的流程示意图。
图4示出了本申请一实施例中沿待测气体传输方向的一个二维平面中的信号光路径图。
图5示出了本申请一实施例中获取三维场分布信息的流程示意图。
图6示出了本申请一实施例中水蒸气在不同温度和压强条件下的吸收谱线。
图7示意性示出一种信号处理子系统的示例框图。
图8示意性示出一种用于实现基于双光学频率梳的气体检测方法的计算机可读存储介质。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本申请将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本申请的各方面。
在本申请的相关技术中，发动机燃烧生成的尾焰种类、浓度和温度场分布通常采用CCD比色测温法、CARS光谱法以及TDLAS法等进行测量，但是CCD比色测温法的温度测量精准度低、无法测量气体种类，CARS法需要光和物质进行非线性作用、探测效率低，TDLAS法在测试时需要调谐激光器频率从而使气体吸收，一般只能测单组分的少量分析吸收谱线，无法满足尾焰测量中的多组分测量需求。
光学频率梳，简称光梳，是一种稳定的宽带激光光源，随着对光梳的深入研究，发现双光学频率梳技术在高精度、大范围光谱测量方向突破了原有激光光谱技术窄带探测的限制，使得激光光谱测量具备同时实现宽光谱、高灵敏度和高分辨率探测的能力。鉴于此，发明人提出一种基于双光学频率梳的气体检测系统和方法，以提高对气体的种类、浓度、温度、流速、压强等维度信息的同步检测效率和检测精准度。
接下来，对本申请中的基于双光学频率梳的气体检测系统进行详细说明。
图1示意性示出了基于双光学频率梳的气体检测系统的架构示意图，如图1所示，基于双光学频率梳的气体检测系统包括双光学频率梳光源101、分束器102、光束整形子系统103、探测器子系统104和信号处理子系统105。
其中，双光学频率梳光源101用于产生信号光；分束器102的输入端口与双光学频率梳光源101连接，用于将信号光分为强度相同的第一路信号光和第二路信号光；光束整形子系统103的输入端口与分束器的输出端口连接，用于对第一路信号光和第二路信号光进行调整，以形成光路相互垂直的第一调整信号光和第二调整信号光；探测器子系统104包含第一二维探测器阵列104-1和第二二维探测器阵列104-2，第一二维探测器阵列104-1用于对经过待测气体的第一调整信号光进行光电转换，以生成第一初始干涉图信号，第二二维探测器阵列104-2用于对经过待测气体的第二调整信号光进行光电转换，以生成第二初始干涉图信号；信号处理子系统105与探测器子系统104连接，用于接收第一初始干涉图信号和第二初始干涉图信号，并根据第一初始干涉图信号和第二初始干涉图信号确定与待测气体对应的三维场分布信息，该三维场分布信息包括气体成分、气体浓度、气体压强、气体流速和温度。
在本申请的一个实施例中，双光学频率梳光源是采用两台重频相互锁定的光学频率梳形成的，其中，重频相互锁定是指重频差相对于光梳的重频很小，例如在本申请实施例中，光梳的重复频率（重频）为1GHz，重频差为10kHz。当然还可以选择其它不同重频和重频差的两台光学频率梳形成双光学频率梳光源，只要保证两台双光学频率梳光源重频相互锁定即可。
在本申请的一个实施例中，分束器102接收到双光学频率梳光源产生的信号光后，以50：50的比例将信号光分为两束强度相同的信号光，即第一路信号光和第二路信号光。
在本申请的一个实施例中，光束整形子系统103包括第一光束整形器103-1和第二光束整形器103-2，第一光束整形器103-1的输入端口与分束器102的第一输出端口连接，用于对第一路信号光进行调整，以获取第一调整信号光，第二光束整形器103-1的输入端口与分束器102的第二输出端口连接，用于对第二路信号光进行调整，以获取第二调整信号光。在本申请的实施例中，第一光束整形器103-1和第二光束整形器103-2的位置可以根据所需的光路进行设置，例如，本申请中需要获取光路相互垂直的第一调整信号光和第二调整信号光，那么就可以将第一光束整形器103-1和第二光束整形器103-2垂直设置，如图1所示，这样通过第一光束整形器103-1输出的第一调整信号光和第二光束整形器103-2输出的第二调整信号光的光路就是相互垂直的。当然，还可以根据实际需要调整第一光束整形器103-1和第二光束整形器103-2的位置，使二者具有其它角度，进而使得第一调整信号光和第二调整信号光的光路具有相应角度，本申请实施例对此不作具体限定。
在本申请的一个实施例中，探测器子系统104中的第一二维探测器阵列104-1和第二二维探测器阵列104-2的位置，根据第一光束整形器103-1和第二光束整形器103-2的位置的变化而变化，只要保证第一二维探测器阵列104-1与第一光束整形器103-1的光输出面平行设置、第二二维探测器阵列104-2与第二光束整形器103-2的光输出面平行设置即可。
进一步地，第一光束整形器103-1和第二光束整形器103-2能够对第一路信号光和第二路信号光进行调整，生成具有预设光场形状的第一调整信号光和第二调整信号光，相应地，为了保证对被气体吸收后的调整信号光进行精准检测，还需要确保第一二维探测器阵列上的探测器的排布形状与第一调整信号光的光场形状相同、第二二维探测器阵列上的探测器的排布形状与第二调整信号光的光场形状相同。
在本申请的一个实施例中，可以将第一调整信号光和第二调整信号光的光场形状设置为矩形，那么相应地，第一二维探测器阵列和第二二维探测器阵列中的光电探测器也需要排布为矩形形状，并且光电探测器的覆盖范围应当大于或等于调整信号光的覆盖范围。在本申请的实施例中，第一二维探测器阵列和第二二维探测器阵列的规格可以相同，也可以不同，例如第一二维探测器阵列和第二二维探测器阵列均具有M×N个光电探测器，或者第一二维探测器阵列具有M×K个光电探测器、第二二维探测器阵列具有N×K个光电探测器，等等，其中M、N、K均大于零，且M≠N。
在本申请的一个实施例中，信号处理子系统105包括数据采集器105-1和数据处理器105-2，数据采集器105-1与第一二维探测器阵列和第二二维探测器阵列连接，用于获取第一二维探测器阵列和第二二维探测器阵列对被待测气体吸收后的第一调整信号光和第二调整信号光进行光电转换所生成的第一初始干涉图信号和第二初始干涉图信号，并将第一初始干涉图信号和第二初始干涉图信号与对应的光电探测器的坐标位置进行对应存储。同时，数据处理器105-2与数据采集器105-1连接，用于从数据采集器105-1中获取第一初始干涉图信号和第二初始干涉图信号，并根据第一初始干涉图信号和第二初始干涉图信号确定与待测气体对应的三维场分布信息。其中，三维场分布信息是在与待测气体对应的三维坐标系中的气体分布信息，该气体分布信息为多维度气体信息，包括气体成分、气体浓度、气体压强、气体流速和温度的三维场分布，由于气体成分在三维场中具有相同的组成，因此同一三维场中各位置的气体成分是相同的，只有浓度、压强、流速和温度会随位置的不同而不同。
在本申请的一个实施例中，由于不同气体对光的吸收波段不同，那么可以根据想要检测的气体成分所对应的光吸收波段确定气体检测系统的输出光谱覆盖范围，进而根据该输出光谱覆盖范围对双光学频率梳光源输出的信号光进行选择，以提高气体检测的精准度。举例而言，发动机尾焰中所包含的气体通常有水蒸气、二氧化碳、一氧化碳等，其中水蒸气、二氧化碳的光吸收波段为1650±50nm，那么可以将气体检测系统的输出光谱覆盖范围设置为1600nm~1700nm，等等。
进一步地，为了实现对气体检测系统的输出光谱覆盖范围的调整，可以基于图1所示的系统架构图进行改进，如图2所示，在图1所示的基于双光学频率梳的气体检测系统的架构的基础上，在双光学频率梳光源和分束器之间插入了高非线性光纤201和滤波器202，高非线性光纤201的输入端口与双光学频率梳光源101的输出端口连接，用于将信号光转换为超连续谱，滤波器202的输入端口与高非线性光纤201的输出端口连接，输出端口与分束器的输入端口连接，用于从超连续谱中提取目标光谱范围的信号光，并将该目标光谱范围的信号光输入至分束器中，该目标光谱范围即为待测气体对应的光吸收波段。采用如图2所示的气体检测系统即可实现输出不同光谱范围的调整信号光，并根据不同光谱范围的调整信号光实现对不同气体的检测。
本申请实施例中的基于双光学频率梳的气体检测系统，系统架构简单，采用的都是常规的光学器件和数据处理系统，因此本申请中的基于双光学频率梳的气体检测系统具有低构造成本和低维护成本的优点，另外基于该气体检测系统能够实现对多维度气体信息的同步检测，同时还提高了检测精准度。
本申请实施例还公开了一种基于双光学频率梳的气体检测方法。
图3示意性示出了基于双光学频率梳的气体检测方法的流程示意图，该气体检测方法应用于上述实施例中的基于双光学频率梳的气体检测系统，如图3所示，该方法至少包括步骤S310-S340，具体为：
步骤S301，通过所述分束器将所述双光学频率梳光源输出的信号光分为强度相同的第一路信号光和第二路信号光；
步骤S320，通过所述光束整形子系统中的第一光束整形器对所述第一路信号光进行调整，生成第一调整信号光；通过所述光束整形子系统中的第二光束整形器对所述第二路信号光进行调整，生成与所述第一调整信号光的光路相垂直的第二调整信号光；
步骤S330，通过所述探测器子系统中的第一二维探测器阵列对经过所述待测气体的所述第一调整信号光进行光电转换，生成第一初始干涉图信号；通过所述探测器子系统中的第二二维探测器阵列对经过所述待测气体的所述第二调整信号光进行光电转换，生成第二初始干涉图信号；
步骤S340，通过所述信号处理子系统根据所述第一初始干涉图信号和所述第二初始干涉图信号确定与所述待测气体对应的三维场分布信息。
为了使本申请的技术方案更清楚，接下来，基于图1所示的基于双光学频率梳的气体检测系统的架构示意图，对本申请实施例中的基于双光学频率梳的气体检测方法进行详细说明。
在步骤S310中，通过所述分束器将所述双光学频率梳光源输出的信号光分为强度相同的第一路信号光和第二路信号光。
在本申请的一个实施例中，双光学频率梳光源将产生的信号光传输至分束器，分束器按照50：50的比例，将信号光分为光强度相同的两束信号光，由于该两束信号光后续沿不同的光路传输，因此为方便描述，可以将该两束信号光标记为第一路信号光和第二路信号光。
在步骤S320中，通过所述光束整形子系统中的第一光束整形器对所述第一路信号光进行调整，生成第一调整信号光；通过所述光束整形子系统中的第二光束整形器对所述第二路信号光进行调整，生成与所述第一调整信号光的光路相垂直的第二调整信号光。
在本申请的一个实施例中，分束器的两个输出端口分别与第一光束整形器和第二光束整形器连接，分束器通过一个输出端口将第一路信号光输出至第一光束整形器，通过另一个输出端口将第二路信号光输出至第二光束整形器。第一光束整形器对第一路信号光进行调整，生成具有预设光场形状的第一调整信号光，第二光束整形器对第二路信号光进行调整，生成具有该预设光场形状的第二调整信号光。
在本申请的一个实施例中，第一光束整形器和第二光束整形器可以以任意角度设置，以使第一调整信号光的光路和第二调整信号光的光路也具有该角度，例如可以通过垂直设置第一光束整形器和第二光束整形器使第一调整信号光和第二调整信号光的光路相互垂直。
在步骤S330中，通过所述探测器子系统中的第一二维探测器阵列对经过所述待测气体的所述第一调整信号光进行光电转换，生成第一初始干涉图信号；通过所述探测器子系统中的第二二维探测器阵列对经过所述待测气体的所述第二调整信号光进行光电转换，生成第二初始干涉图信号。
在本申请的一个实施例中，第一二维探测器阵列与第一光束整形器的光输出面平行设置，第二二维探测器阵列与第二光束整形器的光输出面平行设置，也就是说，第一二维探测器阵列、第一光束整形器、第二二维探测器阵列和第二光束整形器构成了一个四面体空间，待测气体便是从该四面体空间中通过，对第一调整信号光和第二调整信号光进行吸收，未被吸收的调整信号光则被对向的二维探测器阵列接收，并进行光电转换，生成初始干涉图信号，具体而言，第一调整信号光经过待测气体后被第一二维探测器阵列接收并转换，生成第一初始干涉图信号，第二调整信号光经过待测气体后被第二二维探测器阵列接收并转换，生成第二初始干涉图信号。其中，由于二维探测器阵列中包含多个光电探测器，因此每个光电探测器会对所接收到的调整信号光进行光电转换，生成干涉图信号，也就是说，第一初始干涉图信号和第二初始干涉图信号均包含多组初始干涉图信号，同时，每组初始干涉图信号是与每个光电探测器对应的路径积分结果。
图4示意性示出了沿待测气体传输方向的一个二维平面中的信号光路径图，如图4所示，第一二维探测器阵列104-1沿Y轴方向设置有m个光电探测器，那么对应的信号光路径就有m条，各个信号光路径分别对应一组干涉图信号，可以标记为LH1、LH2、……、LHm，第二二维探测器阵列104-2沿X轴方向设置有n个光电探测器，那么对应的信号光路径就有n条，各个信号光路径分别对应一组干涉图信号，可以标记为LV1、LV2、……、LVn。其中，X轴和Y轴为与待测气体传输方向Z轴（垂直于纸面，未示出）垂直的坐标轴，O为X轴、Y轴、Z轴的交点，图中的黑色虚线圈为待测气体覆盖的区域。
在步骤S340中，通过所述信号处理子系统根据所述第一初始干涉图信号和所述第二初始干涉图信号确定与所述待测气体对应的三维场分布信息。
在本申请的一个实施例中，由于第一初始干涉图信号中包含的初始干涉图信号的数量与第一二维探测器阵列中光电探测器的数量相同，第二初始干涉图信号中包含的初始干涉图信号的数量与第二二维探测器阵列中光电探测器的数量相同，想要获取待测气体的三维场分布信息，则需要确定三维场中不同坐标位置处的气体信息，而不同的坐标位置对应不同的信号光路径，如图4所示，pij为对应第一二维探测器阵列的第i条信号光路径与对应第二二维探测器阵列的第j条信号光路径之间的交点，因此需要对每条信号光路径上的气体分布信息进行分析，以获取待测气体的三维场分布信息。
图5示意性示出了获取三维场分布信息的流程示意图，如图5所示，在步骤S501中，对第一初始干涉图信号和第二初始干涉图信号中的初始干涉图信号进行轮询，将任意一组初始干涉图信号作为目标初始干涉图信号；在步骤S502中，将与目标初始干涉图信号对应的所有单周期干涉信号进行幅度叠加，以获取有效干涉图信号；在步骤S503中，根据有效干涉图信号和双光学频率梳光源的光谱信号确定气体吸收谱信号；在步骤S504中，对气体吸收谱信号进行分析，以获取与目标初始干涉图信号对应的路径气体信息；在步骤S505中，根据第一初始干涉图信号中各组初始干涉图信号对应的路径气体信息和第二初始干涉图信号中各组初始干涉图信号对应的路径气体信息，确定与待测气体对应的三维场分布信息。
其中，步骤S502中，每一组初始干涉图信号均包含104量级个周期干涉信号，通过将该些周期的干涉信号进行幅度叠加，即可获取去除时间抖动误差的有效干涉图信号。
步骤S503中，该有效干涉图信号是一个时域信号，为了方便后续的数据处理，可以对有效干涉图信号进行傅里叶变换，将有效干涉图信号转换为气体吸收谱信号和双光学频率梳光谱信号叠加的叠加信号，进一步地，为了获取与待测气体对应的三维场分布信息，那么需要去除叠加信号中的双光学频率梳光谱信号，只保留气体吸收谱信号。具体地，可以从叠加信号中去除与双光学频率梳光谱对应的光谱信号，双光学频率梳光谱对应的光谱信号可以基于图1所示的气体检测系统架构实现，区别仅在于，第一光束整形器和第二光束整形器输出的第一调整信号光和第二调整信号光无需经过气体吸收，而是直接被第一二维探测器阵列和第二二维探测器阵列接收并进行光电转换，然后对光电转换生成的电信号进行幅度叠加和傅里叶变换，即可得到与双光学频率梳光源对应的光谱信号。通过步骤S503可以获取与不同光路路径对应的气体吸收谱信号，可以将该气体吸收谱信号与对应的光路路径进行映射存储，以便后续对路径气体信息进行层析，以获取不同光路路径交叉点处的气体信息。
步骤S504中，在获取气体吸收谱信号之后，可以对其进行分析，以获取与目标初始干涉图信号对应的路径气体信息。在本申请的实施例中，可以通过将气体吸收谱信号与仿真吸收谱信号进行循环对比和拟合，以获取路径气体信息，该仿真吸收谱信号是基于以吸收谱标准模型数据库中的气体标准吸收谱数据建立的气体吸收谱仿真模型获取的。
图6示意性示出了水蒸气在不同温度和压强条件下的吸收谱线，如图6所示，曲线A为水蒸气在1000K、100个大气压条件下的吸收谱线，曲线B为水蒸气在806K、10个大气压条件下的吸收谱线，曲线C为水蒸气在500K、1个大气压条件下的吸收谱线，曲线D为水蒸气在300K、0.1个大气压条件下的吸收谱线。
与图6类似的，在气体吸收谱标准模型数据库中存在多种不同气体在不同气体参数条件下的标准吸收谱数据，那么可以根据不同气体的标准吸收谱数据构建一气体吸收谱仿真模型，通过调节该气体吸收谱仿真模型中的各类气体的参数，可以得到仿真吸收谱信号。接着，可以采用最小二乘法对仿真吸收谱信号和气体吸收谱信号进行比对，以获取仿真吸收谱信号相对于气体吸收谱信号的信号偏差，如果该信号偏差大于一预设阈值，则需对仿真吸收谱信号进行再次拟合，获取新的仿真吸收谱信号，然后再将新的仿真吸收谱信号与气体吸收谱信号进行比对，直至信号偏差小于或等于该预设阈值，那么可以将当前仿真吸收谱信号对应的气体成分、气体浓度、气体压强、气体流速和温度作为与目标初始干涉图信号对应的路径气体信息。
举例而言，发动机喷射的尾焰中可能会有水蒸气、二氧化碳、一氧化碳等气体，那么可以从气体吸收谱标准模型数据库中选定所有可能的气体成分，然后对各个气体成分的浓度、流速、压强、温度等参数进行调整，获取不同参数值条件下，发动机喷射尾焰的仿真吸收谱信号，然后将该仿真吸收谱信号与通过信号光处理得到的气体吸收谱信号进行对比，如果二者之间的信号偏差大于预设阈值，则对气体成分、各成分气体的浓度、流速、压强、温度等参数变量进行调整，获取新的仿真吸收谱信号，然后再与气体吸收谱信号进行对比，通过多次循环拟合，直至二者之间的信号偏差小于或等于预设阈值。
其中，预设阈值可以根据实际需要设置，例如可以设置为0.01、0.05、0.1等等，本申请实施例对此不作具体限定。
在步骤S505中，在获取与第一初始干涉图信号和第二初始干涉图信号中所有初始干涉图信号对应的路径气体信息后，可以根据该些路径气体信息确定与待测气体对应的三维场分布信息，该三维场分布信息主要是在待测气体流经的三维空间中各坐标点处的气体信息。
在确定三维场分布信息时，首先可以根据第一初始干涉图信号中任一初始干涉图信号对应的路径气体信息和第二初始干涉图信号中任一初始干涉图信号对应的路径气体信息确定任意两个光路垂直的初始干涉图信号对应的路径交点处的气体信息，以获取初始三维场分布信息；然后可以对初始三维场分布信息进行插值处理，以获取具有高空间分辨率的三维场分布信息。值得说明的是，同一三维场中不同路径气体信息所包含的气体成分相同，因此在基于路径气体信息确定初始三维场分布信息和对初始三维场分布信息进行插值处理时可以仅针对气体压强、气体流速、气体浓度和温度进行，在获取不同离散点处的气体压强、气体流速、气体浓度和温度后，根据气体成分、气体压强、气体流速、气体浓度和温度确定三维场分布信息。
在本申请的一个实施例中，在获取初始三维场分布信息时，可以通过层析的方法得到所有路径交点处的气体信息。具体地，可以基于郎伯-比尔定律实现层析，通过设定不同光路上的初始气体参数值，根据初始气体参数值和各光路路径对应的入射光强度获取与该光路路径对应的出射光强度，然后将出射光强度与步骤S503中得到的气体吸收谱信号的强度进行比对，当出射光强度和气体吸收谱信号的强度之间的强度差小于或等于预设强度阈值时，将初始气体参数值作为初始三维场信息，当出射光强度和气体吸收谱信号的强度之间的强度差大于预设强度阈值时，可以修正初始气体参数值，直至强度差小于或等于预设强度阈值，修正后的气体参数值即为初始三维场信息。
具体而言，根据郎伯-比尔定律可知，气体介质对光的吸收强弱与吸收路径以及气体浓度、压强、运动速度和光程满足关系式（1）：
（1）
其中，It、IO分别为入射光强、出射光强，υ为相应光频率，ψ(υ，v)为积分面积归一化吸收线型函数，v为气体运动速度，单位为cm/s；p为测量环境压力，单位为atm；χ为吸收组分摩尔浓度；L为吸收光光程，单位为cm；S(T)为吸收谱线的线强，单位为cm-2·atm-1，是温度T的函数，表示为关系式（2）：
（2）
其中，υ0为谱线的中心频率，cm-1；h为普朗克常数，单位为J·s；c为真空中的光速，单位为cm/s；k为玻尔兹曼常数，单位为J/K；E为分子跃迁的低态能级值，单位为cm-1；Q(T)为吸收组分分配函数。
以图4所示的光路图为例，第一光束整形器发射的光束有m行，第二光束整形器发射的光束有n列，每一行光束与列光束存在n个交点，如果将第一光束整形器发射的光束以i表示，第二光束整形器发射的光束以j表示，那么每个交点可以标记为pij。由于交点pij附近的气体参数默认为均匀分布的，因此对于第i行光路路径而言，其出射光强度可以由表达式（3）表示：
（3）
对于第j列路径而言，其出射光强度可以由表达式（4）表示：
（4）
从公式（3）和（4）可知，和/>是根据整个光路上所有交点处的气体参数值进行连乘得到的，说明该出射光强度与路径气体信息一样，都是对应整个路径的积分结果，并且连乘结果与路径气体信息的大小是相同的。
针对公式（3）、（4），可以预先设定交点pij处的初始气体参数值、/>、、/>和/>，第一光束整形器和第二光束整形器所发射光束对应的入射光强度/>、可通过测量得到，因此基于初始气体参数值和入射光强度可以计算得到/>和，该出射光强度即为相应初始气体参数条件下的气体吸收谱线。步骤S503中所获取的与该光路路径对应的气体吸收谱线是基于该光路路径上实际气体吸收后的信号光所生成的，因此可以将根据公式（3）或（4）计算得到的出射光强度与步骤S503中所得到的与第i行路径或第j列路径对应的气体吸收谱线进行比对，获取出射光强度和气体吸收谱信号的强度之间的强度差，然后将强度差与预设强度阈值进行比较，当强度差小于或等于预设强度阈值时，说明出射光强度与实际的气体吸收谱线相近，也就是说，初始气体参数值为初始三维场信息，当强度差大于预设强度阈值时，说明初始气体参数值不是气体吸收谱信号对应的气体参数值，需要对其进行修正，直至强度差小于或等于预设强度阈值，并将修正后的气体参数值作为初始三维场信息。其中，对气体参数值的修正可以以预设幅度进行修正，例如以0.01、0.05的幅度进行修正，等等；并且预设强度阈值可以根据实际需要设置，本申请实施例对此不作具体限定。
通过根据上述方法针对不同行i和不同列j进行出射光强度和气体吸收谱信号的比对和参数修正，可以得到各个离散点pij处的气体浓度、温度、压强和流速的值。
在本申请的一个实施例中，在获取由各个光路交点处的气体浓度、温度、压强和流速的值构成的初始三维场分布信息后，可以对初始三维场分布信息进行插值处理，以获取高精度的三维场分布信息。在对初始三维场分布信息进行插值处理时，可以对其进行二维插值或者三维插值。
其中，二维插值是对三维空间中沿待测气体传输方向划分的多个二维平面对应的气体参数值进行插值，以获取插值气体参数值，该二维平面也就是由第一二维探测器阵列和第二二维探测器阵列中对应相同行标的光电探测器所确定的平面，如图4所示，插值时，可以先对X轴上对应的气体参数值进行线性插值，获得水平方向上的高空间分辨率，然后再对Y轴上对应的气体参数值进行线性插值，获得二维平面中的高空间分辨率流场参数分布；最后根据所有二维平面进行二维插值得到的插值气体参数值和路径气体信息中的气体成分可以得到最终的三维场分布信息。在本申请的实施例中，二维插值可以采用双线性插值、双三次插值、非均匀有理B样条插值、离散光滑插值等方法实现。
三维插值是对初始三维场分布信息分别沿X轴、Y轴和Z轴进行插值，以获取三维空间中的高空间分辨率流场参数分布。在对初始三维场分布信息进行插值处理后，可以获取高精度的气体浓度、温度、压强和流速的值，然后根据路径气体信息中的气体成分和该高精度的气体浓度、温度、压强和流速的值可以确定得到高精度的三维场分布信息。
本申请实施例中的基于双光学频率梳的气体检测方法，可以应用于任意的多组分气体检测，例如航天发动机尾焰检测、火箭发动机尾焰检测，等等。本申请中基于双光学频率梳的气体检测方法，能够实现对多组分气体信息的同步检测，并且能够提高检测的灵敏度和分辨率，进而提高检测效率和检测结果的精准度。
本申请实施例中的基于双光学频率梳的气体检测系统中的信号处理子系统可以以通用计算设备的形式表现。图7示意性示出了信号处理子系统的结构示意图，如图7所示，信号处理子系统105的组件可以包括但不限于：至少一个处理单元710、至少一个存储单元720、连接不同系统组件（包括存储单元720和处理单元710）的总线730和显示单元740。
其中，所述存储单元存储有程序代码，所述程序代码可以被所述处理单元710执行，使得所述处理单元710执行本说明书描述的确定出射激光偏振态的步骤。
存储单元720可以包括易失性存储单元形式的可读介质，例如随机存取存储单元（RAM）7201和/或高速缓存存储单元7202，还可以进一步包括只读存储单元（ROM）7203。
存储单元720还可以包括具有一组（至少一个）程序模块7205的程序/实用工具7204，这样的程序模块7205包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
总线730可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储单元总线或者存储单元控制器、外围总线、图形加速端口、处理单元或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。
信号处理子系统105也可以与一个或多个外部设备900（例如键盘、指向设备、蓝牙设备等）通信，还可与一个或者多个使得用户能与该信号处理子系统105交互的设备通信，和/或与使得该信号处理子系统105能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备（例如路由器、调制解调器等等）通信。这种通信可以通过输入/输出（I/O）接口750进行。并且，信号处理子系统105还可以通过网络适配器760与一个或者多个网络（例如局域网（LAN），广域网（WAN）和/或公共网络，例如因特网）通信。如图7所示，网络适配器760通过总线730与信号处理子系统105的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合信号处理子系统105使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
本领域的技术人员易于理解，这里描述的通过信号处理子系统105确定三维场分布信息可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本申请实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质（可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等）中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备（可以是个人计算机、服务器、移动终端、或者网络设备等）执行根据本申请实施方式的方法。
在本申请的示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够实现本说明书中确定出射激光偏振态的程序产品。在一些可能的实施方式中，本发明的各个方面还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行本说明书中描述的确定出射激光偏振态的步骤。
参考图8所示，描述了根据本发明的实施方式的用于实现上述方法的程序产品800，其可以采用便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)并包括程序代码，并可以在终端设备，例如个人电脑上运行。然而，本发明的程序产品不限于此，在本文件中，可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
所述程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子（非穷举的列表）包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、信号光或上述的任意合适的组合。可读信号介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网（LAN）或广域网（WAN），连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其他实施例。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。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。

Claims (10)

1.一种基于双光学频率梳的气体检测系统，其特征在于，包括：
双光学频率梳光源，用于产生信号光；
分束器，与所述双光学频率梳光源连接，用于将所述信号光分为强度相同的第一路信号光和第二路信号光；
光束整形子系统，与所述分束器连接，用于对所述第一路信号光和所述第二路信号光进行调整，以形成光路相互垂直的第一调整信号光和第二调整信号光；
探测器子系统，包含第一二维探测器阵列和第二二维探测器阵列，所述第一二维探测器阵列用于对经过待测气体的所述第一调整信号光进行光电转换，以生成第一初始干涉图信号，所述第二二维探测器阵列用于对经过所述待测气体的所述第二调整信号光进行光电转换，以生成第二初始干涉图信号；
信号处理子系统，与所述探测器子系统连接，用于接收所述第一初始干涉图信号和所述第二初始干涉图信号，并根据所述第一初始干涉图信号和所述第二初始干涉图信号确定与所述待测气体对应的三维场分布信息，所述三维场分布信息包括气体成分、气体浓度、气体压强、气体流速和温度。
2.根据权利要求1所述的基于双光学频率梳的气体检测系统，其特征在于：
所述光束整形子系统包括第一光束整形器和第二光束整形器，所述第一光束整形器用于接收所述第一路信号光，并对所述第一路信号光进行调整形成所述第一调整信号光，所述第二光束整形器用于接收所述第二路信号光，并对所述第二路信号光进行调整形成所述第二调整信号光。
3.根据权利要求2所述的基于双光学频率梳的气体检测系统，其特征在于：
所述第一二维探测器阵列与所述第一光束整形器的光输出面平行设置，且所述第一二维探测器阵列上的光电探测器的排布形状与所述第一调整信号光的光场形状相同；
所述第二二维探测器阵列与所述第二光束整形器的光输出面平行设置，且所述第二二维探测器阵列上的光电探测器的排布形状与所述第二调整信号光的光场形状相同。
4.根据权利要求1所述的基于双光学频率梳的气体检测系统，其特征在于，还包括：
高非线性光纤，与所述双光学频率梳光源连接，用于将所述信号光转换为超连续谱；
滤波器，与所述高非线性光纤和所述分束器连接，用于从所述超连续谱中提取目标光谱范围的信号光，并将所述目标光谱范围的信号光输入至所述分束器中。
5.一种基于双光学频率梳的气体检测方法，应用于如权利要求1-4中任一项所述的基于双光学频率梳的气体检测系统，其特征在于，所述方法包括：
通过所述分束器将所述双光学频率梳光源输出的信号光分为强度相同的第一路信号光和第二路信号光；
通过所述光束整形子系统中的第一光束整形器对所述第一路信号光进行调整，生成第一调整信号光；通过所述光束整形子系统中的第二光束整形器对所述第二路信号光进行调整，生成与所述第一调整信号光的光路相垂直的第二调整信号光；
通过所述探测器子系统中的第一二维探测器阵列对经过所述待测气体的所述第一调整信号光进行光电转换，生成第一初始干涉图信号；通过所述探测器子系统中的第二二维探测器阵列对经过所述待测气体的所述第二调整信号光进行光电转换，生成第二初始干涉图信号；
通过所述信号处理子系统根据所述第一初始干涉图信号和所述第二初始干涉图信号确定与所述待测气体对应的三维场分布信息。
6.根据权利要求5所述的基于双光学频率梳的气体检测方法，其特征在于，所述第一初始干涉图信号中包含的初始干涉图信号的数量与所述第一二维探测器阵列中光电探测器的数量相同，所述第二初始干涉图信号中包含的初始干涉图信号的数量与所述第二二维探测器阵列中光电探测器的数量相同；
所述通过所述信号处理子系统根据所述第一初始干涉图信号和所述第二初始干涉图信号确定与所述待测气体对应的三维场分布信息，包括：
对所述第一初始干涉图信号和所述第二初始干涉图信号中的初始干涉图信号进行轮询，将任意一组初始干涉图信号作为目标初始干涉图信号；
将与所述目标初始干涉图信号对应的所有单周期干涉信号进行幅度叠加，以获取有效干涉图信号；
根据所述有效干涉图信号和所述双光学频率梳光源的光谱信号确定气体吸收谱信号；
对所述气体吸收谱信号进行分析，以获取与所述目标初始干涉图信号对应的路径气体信息；
根据所述第一初始干涉图信号对应的路径气体信息、所述第二初始干涉图信号对应的路径气体信息和所述气体吸收谱信号，确定与所述待测气体对应的三维场分布信息。
7.根据权利要求6所述的基于双光学频率梳的气体检测方法，其特征在于，所述根据所述有效干涉图信号和所述双光学频率梳光源的光谱信号确定气体吸收谱信号，包括：
对所述有效干涉图信号进行傅里叶变换，以获取叠加信号；
从所述叠加信号中去除所述双光学频率梳光源的光谱信号，以获取所述气体吸收谱信号。
8.根据权利要求6或7所述的基于双光学频率梳的气体检测方法，其特征在于，所述对所述气体吸收谱信号进行分析，以获取与所述目标初始干涉图信号对应的路径气体信息，包括：
根据吸收谱标准模型数据库中的标准气体吸收谱数据构建吸收谱仿真模型，通过调节所述吸收谱仿真模型中的气体参数，获取仿真吸收谱信号；
采用最小二乘法对所述仿真吸收谱信号和所述气体吸收谱信号进行对比，以获取信号偏差；
将所述信号偏差与预设阈值进行比较，当所述信号偏差小于或等于所述预设阈值时，将与所述仿真吸收谱信号对应的气体参数作为所述路径气体信息。
9.根据权利要求6所述的基于双光学频率梳的气体检测方法，其特征在于，所述根据所述第一初始干涉图信号对应的路径气体信息、所述第二初始干涉图信号对应的路径气体信息和所述气体吸收谱信号，确定与所述待测气体对应的三维场分布信息，包括：
基于所述气体吸收谱信号确定初始三维场信息，所述初始三维场信息包含所有路径交点处的气体压强、气体流速、气体浓度和温度；
对所述初始三维场信息进行插值处理，并根据插值后的气体参数值、与所述第一初始干涉图信号对应的路径气体信息和与所述第二初始干涉图信号对应的路径气体信息确定所述三维场分布信息。
10.根据权利要求9所述的基于双光学频率梳的气体检测方法，其特征在于，所述基于所述气体吸收谱信号确定初始三维场信息，包括：
根据初始气体参数值和各路径对应的入射光强度，确定与各所述路径对应的出射光强度；
将所述出射光强度与所述气体吸收谱信号的强度进行比对；
当所述出射光强度与所述气体吸收谱信号的强度之间的强度差小于或等于预设强度阈值时，将所述初始气体参数值作为所述初始三维场信息；
当所述出射光强度与所述气体吸收谱信号的强度之间的强度差大于预设强度阈值时，修正所述初始气体参数值，直至所述强度差小于或等于所述预设强度阈值，并将修正后的气体参数值作为所述初始三维场信息；
所述对所述初始三维场信息进行插值处理，并根据插值后的气体参数值、与所述第一初始干涉图信号对应的路径气体信息和与所述第二初始干涉图信号对应的路径气体信息确定所述三维场分布信息，包括：
沿所述待测气体的传输方向，将所述初始三维场信息对应的三维空间划分为多个二维平面；
对每个所述二维平面对应的气体参数值进行二维插值，以获取插值气体参数值；
根据与所有所述二维平面对应的插值气体参数值和所述路径气体信息中的气体成分确定所述三维场分布信息；或者
对所述初始三维场信息进行三维插值，并根据插值得到的插值气体参数值和所述路径气体信息中的气体成分确定所述三维场分布信息。
CN202311329620.5A 2023-10-16 2023-10-16 基于双光学频率梳的气体检测系统及方法 Active CN117091637B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311329620.5A CN117091637B (zh) 2023-10-16 2023-10-16 基于双光学频率梳的气体检测系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311329620.5A CN117091637B (zh) 2023-10-16 2023-10-16 基于双光学频率梳的气体检测系统及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN117091637A true CN117091637A (zh) 2023-11-21
CN117091637B CN117091637B (zh) 2024-02-20

Family

ID=88770329

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311329620.5A Active CN117091637B (zh) 2023-10-16 2023-10-16 基于双光学频率梳的气体检测系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117091637B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1097509A (zh) * 1994-01-23 1995-01-18 重庆大学 自发活动检测方法及其检测装置
CN1464288A (zh) * 2002-06-05 2003-12-31 中国科学技术大学 基于激光片光成像的粒子场全场测量方法及其装置
CN108020527A (zh) * 2017-11-22 2018-05-11 北京航天易联科技发展有限公司 一种用于火焰中气体浓度及温度的检测方法和装置
CN111175049A (zh) * 2020-01-20 2020-05-19 中国科学院力学研究所 一种发动机燃烧室多维温度及浓度场的诊断系统及方法
CN111721485A (zh) * 2020-06-03 2020-09-29 华东师范大学 基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法
CN113406021A (zh) * 2020-03-17 2021-09-17 山东大学 基于神经网络的光学频率梳气体检测系统及方法
CN115452768A (zh) * 2022-09-19 2022-12-09 浙江大学 湍流燃烧场三维温度、气体浓度、颗粒浓度分布测量系统

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1097509A (zh) * 1994-01-23 1995-01-18 重庆大学 自发活动检测方法及其检测装置
CN1464288A (zh) * 2002-06-05 2003-12-31 中国科学技术大学 基于激光片光成像的粒子场全场测量方法及其装置
CN108020527A (zh) * 2017-11-22 2018-05-11 北京航天易联科技发展有限公司 一种用于火焰中气体浓度及温度的检测方法和装置
CN111175049A (zh) * 2020-01-20 2020-05-19 中国科学院力学研究所 一种发动机燃烧室多维温度及浓度场的诊断系统及方法
CN113406021A (zh) * 2020-03-17 2021-09-17 山东大学 基于神经网络的光学频率梳气体检测系统及方法
CN111721485A (zh) * 2020-06-03 2020-09-29 华东师范大学 基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法
CN115452768A (zh) * 2022-09-19 2022-12-09 浙江大学 湍流燃烧场三维温度、气体浓度、颗粒浓度分布测量系统

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FEI WANG: "Simultaneous measurement of 2-dimensional H2O concentration and temperature distribution in premixed methane/air flame using TDLAS-based tomography technology", OPTICS COMMUNICATIONS, vol. 346, 1 July 2015 (2015-07-01) *
HUIHUI XIA: "Numerical study of two-dimensional water vapor concentration and temperature distribution of combustion zones using tunable diode laser absorption tomography", INFRARED PHYSICS & TECHNOLOGY, vol. 72, 30 September 2015 (2015-09-30) *
HUIHUI XIA: "Two-step tomographic reconstructions of temperature and species concentration in a flame based on laser absorption measurements with a rotation platform", OPTICS AND LASERS IN ENGINEERING, vol. 90, 31 March 2017 (2017-03-31) *
孙鹏帅: "基于TDLAS技术的燃烧场温度与气体浓度分布重建研究", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》, no. 11 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN117091637B (zh) 2024-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106815878B (zh) 一种基于多视角多光谱层析成像的图像重建方法
CN203216634U (zh) 基于激光吸收光谱技术的高温测量及温度场重建的装置
Carli et al. Submillimeter high-resolution FT spectrometer for atmospheric studies
CN103698298B (zh) 采用基于短腔腔增强关联光谱技术测量气体浓度的装置测量气体浓度的方法
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
CN106769974A (zh) 气体浓度二维分布在线检测系统及方法
US10732099B2 (en) Gas analysis device and gas analysis method using laser beam
CN105043548A (zh) 傅里叶变换光谱仪的复数谱多点辐射定标方法
Jing et al. A reconfigurable parallel data acquisition system for tunable diode laser absorption spectroscopy tomography
Löhner-Böttcher et al. LARS: An Absolute Reference Spectrograph for solar observations-Upgrade from a prototype to a turn-key system
CN209590271U (zh) 一种空间长度的测量装置
CN105953919B (zh) 一种全光纤傅里叶光谱分析仪
CN117091637B (zh) 基于双光学频率梳的气体检测系统及方法
CN107906555A (zh) 基于多谱线吸收光谱断层成像技术的燃烧优化控制方法
Xin et al. Research on atmospheric CO2 remote sensing with open-path tunable diode laser absorption spectroscopy and comparison methods
CN203869777U (zh) 推扫式傅里叶变换成像光谱仪
Zadvornykh et al. Radiative transfer code for the thermal and near-infrared regions with multiple scattering
CN105973467A (zh) 基于压缩感知的声光信号处理系统
CN109100045B (zh) 基于单光路多光谱的气体温度概率密度分布重建方法
Cai et al. Spatial heterodyne spectrometer based on the Mach–Zehnder interferometer
Kristoffersen et al. Improvements to the sensitivity and sampling capabilities of Doppler Michelson interferometers
Ridolfi et al. MIPAS-ENVISAT limb-sounding measurements: trade-off study for improvement of horizontal resolution
Gao et al. Correction of interferogram data acquired using a focal plane FT-IR spectrometer system
Li et al. Evaluation of the Accuracy of Spectral Calibration Light Source on Spectral Radiance Acquired by the Greenhouse-Gases Absorption Spectrometer-2 (GAS-2)
Refaat et al. Laser energy monitor for triple-pulse 2-um IPDA lidar application

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant