[发明专利]一种去除水汽干扰的呼出气体光谱检测系统及方法

权利要求书

1.一种去除水汽干扰的呼出气体光谱检测系统，其特征在于，包括：

气体测量池，为长方体形密闭腔体，在腔体相对的两侧壁各自设有太赫兹透镜窗，在腔体的另一相对的两侧壁各自设有平凹高反镜，在腔体上设有进气口、出气口和气压监测口，在进气口和出气口处均设有单向阀，在出气口处设有真空泵，在气压监测口设有气压表；

飞秒激光脉冲发射器，用于发射飞秒激光脉冲；

激光分束器，用于将飞秒激光脉冲分割为探测激光脉冲与泵浦激光脉冲；

光电导天线，设于气体测量池的一个太赫兹透镜窗的外侧，用于在泵浦激光脉冲激发下发射太赫兹波；

太赫兹探测器，设于气体测量池的另一个太赫兹透镜窗的外侧，用于接收穿过气体测量池的太赫兹波，并在探测激光脉冲作用下将太赫兹电磁场转化为光电流；

近红外激光器，设于气体测量池的一个平凹高反镜的外侧，用于向气体测量池内发射纳秒脉冲激光，该脉冲激光和太赫兹波路径相互垂直；

光电探测器，设于气体测量池的另一个平凹高反镜的外侧，用于检测透过气体测量池的光信号强度变化；

数据采集和处理系统，用于采集脉冲激光和太赫兹波经过气体测量腔后的光电信号，利用近红外光腔衰荡光谱测量系统精确测量呼出气体中的水分含量，并经处理后得到去除水汽干扰的待测气体太赫兹光谱。

2.根据权利要求1所述的去除水汽干扰的呼出气体光谱检测系统，其特征在于，所述太赫兹探测器是光电导式天线探测器，所述近红外激光器为波长为1450nm或1390nm之一的单模激光器，输出脉宽2~3ns的脉冲激光，所述太赫兹透镜窗采用厚度2mm的HDPE材料。

3.根据权利要求1所述的去除水汽干扰的呼出气体光谱检测系统，其特征在于，所述光电探测器连接有放大器，由光电探测器接收的光信号经放大器放大后利用数据采集和处理系统进行采集；所述太赫兹探测器连接有锁相放大器，太赫兹探测器接收的信号经锁相放大器放大后利用数据采集和处理系统进行采集。

4.一种去除水汽干扰的呼出气体光谱检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、设置去除水汽干扰的呼出气体光谱检测系统，包括：

气体测量池，为长方体形密闭腔体，在腔体相对的两侧壁各自设有太赫兹透镜窗，在腔体的另一相对的两侧壁各自设有平凹高反镜，在腔体上设有进气口、出气口和气压监测口，在进气口和出气口处均设有单向阀，在出气口处设有真空泵，在气压监测口设有气压表；

飞秒激光脉冲发射器，用于发射飞秒激光脉冲；

激光分束器，用于将飞秒激光脉冲分割为探测激光脉冲与泵浦激光脉冲；

光电导天线，设于气体测量池的一个太赫兹透镜窗的外侧，用于在泵浦激光脉冲激发下发射太赫兹波；

太赫兹探测器，设于气体测量池的另一个太赫兹透镜窗的外侧，用于接收穿过气体测量池的太赫兹波，并在探测激光脉冲作用下将太赫兹电磁场转化为光电流；

近红外激光器，设于气体测量池的一个平凹高反镜的外侧，用于向气体测量池内发射纳秒脉冲激光，该脉冲激光和太赫兹波路径相互垂直；

光电探测器，设于气体测量池的另一个平凹高反镜的外侧，用于检测透过气体测量池的光信号强度变化；

数据采集和处理系统，用于采集脉冲激光和太赫兹波经过气体测量腔后的光电信号，并经处理后得到去除水汽干扰的待测气体太赫兹光谱；

b、在气体测量池内充满气压值为b的干燥氮气，采集并记录太赫兹时域信号r1及近红外光腔衰荡波形s0，根据波形s0计算得到其衰荡时间记为τ0；

c、在气体测量池内充入水汽浓度为a的氮气并保持气压值为b，采集并记录太赫兹时域信号r2及近红外光腔衰荡波形s1，根据波形s1计算得到其衰荡时间记为τ1；

d、将测得的太赫兹时域信号r1、r2分别进行傅里叶变换记为Fr1、Fr2，Fr2/ Fr1得到水汽浓度为a的样品的太赫兹吸收谱记作F1；根据

（Ⅰ）

计算出水汽浓度为a的样品的吸收系数α1，其中，c为光速；

e、在气体测量池充满待测气体并保持恒定气压b，采集并记录太赫兹时域信号r3及近红外光腔衰荡波形s2，根据波形s2计算得到其衰荡时间记为τ2；

f、将测得的太赫兹时域信号r3进行傅里叶变换记为Fr3，由Fr3/Fr1得到待测气体的太赫兹吸收谱记作F2；根据

（Ⅱ）

计算出待测气体的吸收系数α2，其中，c为光速；然后根据F=F2-F1*α2/α1计算得到去除水汽干扰的待测气体的太赫兹吸收光谱。