[发明专利]一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法及装置

权利要求书

1.一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法，其特征在于，包括：

采用具有几十至几千赫兹可调重频差的两台光学频率梳作为宽带主动探测光源，其中一台作为信号光，一台作为参考光；

采用一组吸收路径级联分段调节模块对探测路径进行路段划分，所述分段调节利用吸收路径级联分段调节模块（9）通过对信号光光束的口径或波段进行滤取实现；

采用单像元探测器对多路段返回的信号进行探测，所述单像元探测器采用外触发模式，触发信号频率与其中一台光学频率梳的重复频率一致，所述多路段返回的信号有不同的时间延迟，依次和参考光合束，入射至单像元探测器，在单个采样周期内产生时间复用的多个多外差干涉信号；

采用时间窗对复用的多个多外差干涉信号进行拆分提取，通过时域信号包络零点解算各吸收路径长度，通过傅里叶变换光谱复原法解算对应光谱信息，并结合两者获得各路径段气体种类及其浓度信息；

其中，所述吸收路径级联分段调节模块（9）包括依次位于探测路径上的多组调节模块元件和一个反射镜（9-4），分段调节通过分口径或分波段方式实现：

分口径实现时，调节模块元件为信号光束口径内反射面积比例逐渐增大的一组反射镜，反射镜（9-4）将剩余未被反射的信号光反射回，且各反射镜反射面积比例配置满足各路段反射光能量比接近1；

分波段实现时，调节模块元件为分色滤光片，将特定波段的光反射，其余波段的光透射，反射镜（9-4）将剩余未被反射的信号光反射回，各分色滤光片截止波长配置满足依次滤出波段中均包含目标气体较强的吸收线，且各路段反射光能量比接近1。

2.根据权利要求1所述级联吸收路径气体浓度复用探测的方法，其特征在于，在时域中利用时间飞行法，从复用信号包络零点解算信号光所经不同路径的路径长度，即得各吸收路径长度；在频域中对复用信号进行傅里叶变换、滤波及频率映射，解算信号光所经不同路径的吸收光谱，即得对应光谱信息。

3.根据权利要求1或2所述级联吸收路径气体浓度复用探测的方法，其特征在于，结合所获得的吸收路径长度和对应光谱信息进行最小二乘拟合，反演出各路径段气体种类及其浓度，实现气体的分布式定量探测。

4.根据权利要求1或2所述级联吸收路径气体浓度复用探测的方法，其特征在于，采用两台重复频率差在几十至几千赫兹可调的光学频率梳作为宽带主动探测光源。

5.一种实现权利要求1所述级联吸收路径气体浓度复用探测的方法的探测装置，其特征在于，包括：

第一光学频率梳（1-1），

第二光学频率梳（1-2），与第一光学频率梳（1-1）具有几十至几千赫兹可调重频差，其输出光作为参考光；

第一反射式光纤准直器（6-1），通过第二单模光纤（5-2）连接第一光学频率梳（1-1），将第一光学频率梳（1-1）的输出光准直成空间光一；

第二反射式光纤准直器（6-2），通过第三单模光纤（5-3）连接第二光学频率梳（1-2），将第二光学频率梳（1-2）的输出光准直成空间光二；

立方体分束器（7），设置于空间光一和空间光二的路径上；

离轴抛物面反射镜，设置于空间光一透射立方体分束器（7）之后的路径上，将透射光调节扩束准直后作为信号光输出；

吸收路径级联分段调节模块（9），设置于探测路径上，通过多段吸收实现路段划分，并将信号光返回，返回的信号光在立方体分束器（7）反射，与空间光二经立方体分束器（7）的透射光合束；

光电探测器（10），接收合束后的光；

采集模块（11），接光电探测器（10）将接收的合束光转换为数字信号；

分析处理模块（12），按解算方法得到各路径吸收光谱和路径长度。

6.根据权利要求5所述探测装置，其特征在于，还包括氦氖激光器（2），氦氖激光器（2）的输出光路上设置光纤耦合器（4），光纤耦合器（4）通过第一单模光纤（5-1）连接第一反射式光纤准直器（6-1），第一反射式光纤准直器（6-1）将氦氖激光器（2）的输出光准直入空间光一。