[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

说明书

一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法及装置，包括由两台重复频率略有差异的光频梳构成的主动宽带激光光源，吸收路径级联分段调节模块，信号接收采集模块和复用干涉信号提取与分析处理模块等。级联吸收路径中各段的吸收光谱和路径长度均可通过对复用干涉信号的分析得到，进而可获得各路径段的气体种类及其浓度信息。此发明在一组光源、单像元探测器条件下，具备对多路径段进行长度探测、宽带高分辨率光谱探测能力，可快速实现多种气体的分布式定量探测，显著提升了激光光谱探测效能。

技术领域

本发明属于气体传感技术领域，特别涉及一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法及装置。

背景技术

在气体传感领域中，常常需要对开放光程中的气体浓度进行遥测。环境检测、公共安全、工业过程控制中对温室气体、有毒有害气体、易燃易爆气体等的监测都对气体浓度遥感有着重要需求。

光学光谱方法以其无接触无附加反应等优点被广泛用于气体遥感，例如可调谐激光器光谱(TDLAS)，差分光学光谱(DOAS)，傅里叶变换光谱(FTS)和双光梳光谱(DCS)。其中，双光梳方法利用两台光频梳之间的异步光学采样产生多外差干涉信号，对干涉信号进行频域处理可以实现气体吸收光谱的测量。其巨大潜力引发了光谱测量领域内的研究热潮。几十甚至上百太赫兹的广阔光谱覆盖范围支持多种类气体同时检测。利用重频扫描的方法其可以在双光子吸收光谱中实现突破多普勒限制的高光谱分辨率。最重要的是其拥有高检测速度并且无需任何机械移动部件。毫秒量级的数据更新速率使得单次测量免受大气湍流的影响，这种优异的湍流免疫性适合应对快速环境变化带来的挑战，已使其在城市污染物排放估算和天然气生产现场监测等长距离开放光程气体遥感中得以应用。

尽管将双光梳方法用于气体遥感的可行性已在多种场景中得到验证，但是当前的研究局限于长目标路径上平均气体浓度的检测。在实际应用中，网格化分析和动态监控如石油天然气生产现场实时监测众多潜在泄漏源是否泄露等，需要对目标路径不同位置的气体浓度变化有准确的了解，这需要执行更准确更有效的带有位置信息的气体浓度测量。根据朗伯-比尔定律，上述需求需要同时确定吸收路径长度。双光梳方法恰巧也已在距离测量领域中得以应用。通过使用时间飞行法或进一步结合干涉相位解调技术其可以实现亚微米或几纳米的测距精度。通过非模糊距离(NAR)扩展，其还可以实现长达千米的远程测距。双光梳方法在距离测量方面的优异性能，足以支持有效的浓度检索。但现有技术从未将其在测距领域的能力融合到光谱应用中。而且依靠传统气体遥测方法，获取多点浓度信息需要多套设备同时测量。如何方便有效地进行开放光程长目标路径中分布式气体定量分析，还是亟待解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法及装置，以在单组光源单像元探测器的条件下，完成目标路径各级联段内气体种类及浓度的测量，可快速实现多种气体的分布式定量探测，显著提升激光光谱的探测效能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种级联吸收路径气体浓度复用探测的方法，包括：

采用重复频率略有差异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。