CN220751964U - 一种基于tdlas技术的多组分气体激光遥测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于TDLAS技术的多组分气体激光遥测系统，包括依次设置的平凸透镜、光纤准直器、滤光片、光电探测器、激光器阵列和光纤分束器，所述平凸透镜中心位置设有通孔，所述光纤准直器设置在所述通孔处。所述光电探测器和所述激光器阵列之间设有信号生成处理单元、分时注入控制单元、激光驱动单元、光电转换单元和数据拟合外发单元，所述信号生成处理单元分别连接所述分时注入控制单元和所述数据拟合外发单元。在不增加发射及接收光学组件的情况下实现多组分气体激光遥测，降低了成本、体积和重量。
Description
技术领域
本实用新型光学检测技术领域，更具体地说，涉及一种基于TDLAS技术的多组分气体激光遥测系统。
背景技术
TDLAS技术即可调谐半导体激光器吸收光谱技术，它是利用半导体激光器波长可调谐，使目标检测气体产生指纹吸收信号，通过对吸收气体分子的吸收谱线的检测，实现对气体的各个参量的检测。TDLAS技术使用激光作为光源，通过检测物体表面漫反射的回光，可以实现远距离非接触式遥感检测，即激光遥测。
由于可调谐半导体激光器的线宽极窄，单个激光光源一般只能用于检测某一种气体，无法同时检测多种组分的气体，目前大部分的激光气体遥测仪均为单组份检测，当需要检测多组分气体时，需要增加多个检测仪，每个检测仪负责检测单个组分。但这种方式存在以下几个问题：
1.各个检测仪的测量激光独立发射，彼此之间存在物理间距，导致最终的测量结果并不是真实反应同一路径的积分浓度，从而产生测量误差；
2.检测仪之间没有同步措施，导致相互间存在光学信号干扰，影响测量稳定性；
3.大大增加了成本、体积和重量。由于激光遥测一般用于手持或其他便携式应用，这种方式的实用性较低。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于TDLAS技术的多组分气体激光遥测系统，用以解决上述背景技术中存在的技术问题。
本实用新型技术方案一种基于TDLAS技术的多组分气体激光遥测系统，包括依次设置的平凸透镜、光纤准直器、滤光片、光电探测器、激光器阵列和光纤分束器，所述平凸透镜中心位置设有通孔，所述光纤准直器设置在所述通孔处；
所述光电探测器和所述激光器阵列之间设有信号生成处理单元、分时注入控制单元、激光驱动单元、光电转换单元和数据拟合外发单元，所述信号生成处理单元分别连接所述分时注入控制单元和所述数据拟合外发单元。
在一个优选地实施例中，所述信号生成处理单元产生激光调制信号和激光时序码并传输至分时注入控制单元。
在一个优选地实施例中，所述激光器阵列中的每个所述激光器对应一种待测的目标气体组分，且激光器阵列输出的信号通过光纤耦合至光纤分束器中。
在一个优选地实施例中，所述光纤分束器合束的激光进入所述光纤准直器，所述光纤准直器准直后的准直激光发送至所述平凸透镜并聚焦至光电探测器，所述光电探测器的输出信号通过所述光电转换单元转换。
在一个优选地实施例中，所述光纤准直器和所述平凸透镜表面均设置有增透膜。
本实用新型技术方案的有益效果是：
1.在不增加发射及接收光学组件的情况下实现多组分气体激光遥测，降低了成本、体积和重量。
2.对光源的控制采用分时注入的形式，保证了各组分测量间不存在光学信号干扰，测量稳定性强多组分气体使用多个激光光源实现测量，每种组分对应单个激光光源；多个激光光源使用光纤分束器进行合束，合束后的激光重合度好。
3.光纤准直器和平凸透镜增加表面镀膜层，镀膜层选择多点增透膜，减少光学衰减。
附图说明
图1为本实用新型整体光路结构图，
图2为本实用新型单个激光器的功率控制图，
图3为本实用新型N＝5时系统合束后典型的出光功率随时间变化曲线图。
附图标记说明：1回光、2平行光束、3光纤准直器、4平凸透镜、5聚焦光束、6滤光片、7光电探测器、8激光器阵列、9光纤分束器
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。本实用新型的实施例是为了示例和描述方便起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
如图1所述，本实用新型技术方案一种基于TDLAS技术的多组分气体激光遥测系统，包括依次设置的平凸透镜4、光纤准直器3、滤光片6、光电探测器7、激光器阵列8和光纤分束器9，所述平凸透镜4中心位置设有通孔，所述光纤准直器3设置在所述通孔处。所述光电探测器7和所述激光器阵列8之间设有信号生成处理单元、分时注入控制单元、激光驱动单元、光电转换单元和数据拟合外发单元，所述信号生成处理单元分别连接所述分时注入控制单元和所述数据拟合外发单元。所述光纤准直器3和所述平凸透镜4表面均设置有增透膜，减少光学衰减。
进行气体检测时，由信号生成处理单元产生激光调制信号以及激光时序码，该调制信号及时序码送入分时注入控制单元，由分时注入控制单元控制各激光驱动单元对每个半导体激光器的出光进行时序控制。每个激光器对应一种待测的目标气体组分，由单独的激光驱动单元进行驱动控制，激光驱动单元可以监控单个激光器的发射功率，中心波长等参数。N个激光器的输出通过光纤耦合至光纤分束器9中，光纤分束器9可以采用等比分束的方式，当用于合束时，对于单个激光器，合束后的光功率约等于激光器发射功率除以N。合束后的激光通过光纤准直器3进行准直，准直激光平行平凸透镜4的光轴发射。
漫反射的回光1以平行光束2的形式通过平凸透镜4收集并聚焦，聚焦光束5进入光电探测器7，光电探测器7的输出信号通过光电转换单元，转换为数字系统能够识别的数字信号，并送入信号生成处理单元。信号生成处理单元负责生成激光的调制信号以及处理接收的探测信号，这保证了信号系统的同步性。处理后的信号发送至数据拟合外发单元，该单元对原始的谐波信号进行拟合、校准，得到真实的气体浓度测量值，并根据需要外发或显示。
使用分时注入控制逻辑对多个激光器进行功率控制，对于单个激光器的功率控制如图2所示，当测量时间分配到该气体组分时，光源的功率提升至出光阈值以上并叠加调制信号。当测量时间结束后，光源功率被调整为出光阈值以下，光源的平均出光功率等于峰值功率乘以占空比，其中占空比等于1/N。图3展示了当N＝5时系统合束后典型的出光功率随时间变化曲线。
显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本实用新型保护的范围。本实用新型中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。
Claims (5)
1.一种基于TDLAS技术的多组分气体激光遥测系统，其特征在于：包括依次设置的平凸透镜、光纤准直器、滤光片、光电探测器、激光器阵列和光纤分束器，所述平凸透镜中心位置设有通孔，所述光纤准直器设置在所述通孔处；
所述光电探测器和所述激光器阵列之间设有信号生成处理单元、分时注入控制单元、激光驱动单元、光电转换单元和数据拟合外发单元，所述信号生成处理单元分别连接所述分时注入控制单元和所述数据拟合外发单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的多组分气体激光遥测系统，其特征在于：所述信号生成处理单元产生激光调制信号和激光时序码并传输至分时注入控制单元。
3.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的多组分气体激光遥测系统，其特征在于：所述激光器阵列中的每个所述激光器对应一种待测的目标气体组分，且激光器阵列输出的信号通过光纤耦合至光纤分束器中。
4.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的多组分气体激光遥测系统，其特征在于：所述光纤分束器合束的激光进入所述光纤准直器，所述光纤准直器准直后的准直激光发送至所述平凸透镜并聚焦至光电探测器，所述光电探测器的输出信号通过所述光电转换单元转换。
5.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的多组分气体激光遥测系统，其特征在于：所述光纤准直器和所述平凸透镜表面均设置有增透膜。
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