[发明专利]一种基于相干探测方法的气体浓度遥感探测装置和方法

权利要求书

1.一种基于相干探测方法的气体浓度遥感探测装置，其特征在于，该基于相干探测方法的气体浓度遥感探测装置包括信号发生器(1)、DFB激光器(2)、第一成像透镜(3)、第一分光片(4)、第二成像透镜(6)、孔径光阑(7)、第三成像透镜(8)、第一反射镜(9)、第二反射镜(10)、第二分光片(11)、光电探测器(12)、数据采集卡(13)和计算机(14)；

所述的信号发生器(1)产生的锯齿信号加载在DFB激光器(2)上，对DFB激光器(2)进行频率或波长调制，控制DFB激光器(2)的驱动和温控，使激光光束的波长在线性输出的范围内只存在一个气体吸收峰；从DFB激光器(2)出来的激光光束经过第一成像透镜(3)准直为平行光；所述的平行光经过第一分光片(4)被分成两路光：一路光经由第一分光片(4)反射到硬目标(5)上，作为信号光；另一路光经由第一分光片(4)透射，作为本振光；所述的信号光被硬目标(5)散射，所得的散射光信号依次经过第二成像透镜(6)、孔径光阑(7)和第三成像透镜(8)后变成平行光；所述的孔径光阑(7)位于第二成像透镜(6)的后焦距处；所述的光阑(7)和第三成像透镜(8)之间的距离是第三成像透镜(8)的前焦距；准直之后的平行光透射过第二分光片(11)；所述的本振光依次经过第一反射镜(9)的反射、第二反射镜(10)的反射、第二分光片(11)的反射后和平行光相遇并发生干涉；所述的相干光被光电探测器(12)接收；所述的光电探测器(12)检测拍频信号，其输出端和数据采集卡(13)的信号采集输入端相连接。

2.根据权利要求1所述的基于相干探测方法的气体浓度遥感探测装置，其特征在于，所述的DFB激光器(2)发出的激光为调频激光光束，包括DFB激光器芯片、电流驱动和温控装置，DFB激光器(2)芯片的工作波长位于待测气体吸收峰附近，线宽优于10MHz。

3.根据权利要求1或2所述的基于相干探测方法的气体浓度遥感探测装置，其特征在于，所述的第一分光片(4)的分光比为90:10，其中信号光占比90％，本振光占比10％。

4.根据权利要求1或2所述的基于相干探测方法的气体浓度遥感探测装置，其特征在于：

所述的第一成像透镜(3)焦距为15mm，口径为12.7mm；

所述的第二成像透镜(6)焦距为175mm，口径为50mm；

所述的第三成像透镜(8)焦距为15mm，口径为12.7mm。

5.根据权利要求3所述的基于相干探测方法的气体浓度遥感探测装置，其特征在于：

所述的第一成像透镜(3)焦距为15mm，口径为12.7mm；

所述的第二成像透镜(6)焦距为175mm，口径为50mm；

所述的第三成像透镜(8)焦距为15mm，口径为12.7mm。

6.一种基于相干探测方法的气体浓度遥感探测方法，其特征在于，步骤如下：

A、信号发生器(1)产生锯齿波，传输到DFB激光器(2)的驱动，使DFB激光器(2)发出调频激光束；同时数据采集卡(13)接收到触发信号，准备开始数据采集；DFB激光器(2)的调频周期为T，调频范围为Δv；

B、调频激光束被第一成像透镜(3)准直，该准直光经过第一分光片(4)按90:10比例被分为两路光，占比90％的是信号光，占比10％的是本振光；信号光被第一分光片(4)反射，经过目标气体后到硬目标(5)上；另一路光经过第一分光片的透射，作为本振光；

C、信号光经过硬目标(5)的散射后，被第二成像透镜(6)、孔径光阑(7)和第三成像透镜(8)接收并准直为平行光，该平行光透射过第二分光片(11)；

D、本振光经过第一反射镜(9)、第二反射镜(10)反射、第二分光片(11)反射后和准直的平行光相干；

E、产生的相干光被光电探测器(12)接收；

F、光电探测器(12)将接收到的拍频信号传输给数据采集卡(13)采集；

G、计算机(14)将数据采集卡(13)采集到的拍频信号进行傅里叶变换；在频域信号上，获得拍频信号频率的大小f_b；在光速已知c的情况下，根据如下公式，计算出待测气体的吸收程L：

H、对频域信号进行加窗处理，仅保留拍频信号附近的频谱；对该信号做傅里叶逆变换，即获得待测气体的吸收信号S_abs；假定已知气体浓度为C_ref，吸收程为L_ref条件下的气体吸收信号强度为S_ref；在激光测量路径上气体的平均浓度表示为：

I、将该系统对准任意硬目标(5)，发射激光光束，探测散射光信号强度，根据以上方法，获取待测路径上的气体平均浓度，从而实现移动式的气体浓度测量。