[发明专利]一种基于激光吸收阻抗谱的气体温度与浓度参数测量方法

权利要求书

1.一种基于激光吸收阻抗谱的气体温度与浓度参数测量方法，该方法利用高频光强调制，使入射激光除可调谐激光器本身发出的激光波长外，在中心波长两侧产生两个频谱带，这两个频谱带均与中心波长相距一个强度调制频率，光强调制后的透射信号的强度和相位中可提取激光的幅值衰减和相位偏移，构成激光吸收阻抗谱，实现了激光吸收阻抗谱的测量；并利用混频器降低探测信号频率，降低了对信号采集系统采样带宽的要求；从获得的激光吸收阻抗谱的强度和相位中，可分别计算得到激光吸收强度谱面积和激光吸收相位谱峰峰值，并利用测量值与理论值的偏差，通过查表，确定强度和相位对应偏差值的平方和最小的位置，从而获得温度和浓度的测量值；

该方法利用采用高频强度调制，实现激光吸收阻抗谱强度和相位的同时测量；首先用激光器发出扫频激光，在某一时刻，将激光器发出的激光看成波数为v₀的单频激光，通过光纤分束器将激光分为两束，其中一束经过激光干涉仪获得角频率随时间变化的曲线ω(t)，另一束经过频率为Ω的强度调制，则调制后激光的电场强度可表示为：

E_M＝[E₀+a₀cos(Ωt)]exp(-iω₀t), (1)

其中，i是虚数单位，E₀为电磁波振幅，a₀是调制幅度，ω₀是激光在此刻的角频率，有ω₀＝2πcv₀，c是光速，则上式可展开为：

从上式可知，经过光强调制后，在激光器出射激光波长产生两个频率带，且这两个频率带距离中心角频率均为Ω，由此可计算出光强表达式：

其中，为电场强度E_M的共轭，由于a₀远小于E₀，因此，光强的交流部分主要是：

即频率为光强调制频率Ω的单频信号，该信号可看作频率为ω₀与(ω₀-Ω)以及ω₀与(ω₀+Ω)的两组激光拍频信号的叠加，当调制后的激光穿过感兴趣区域，被目标气体吸收后，电场强度的幅度衰减、相位偏移，可表达为：

其中，α是吸收率，即激光吸收强度，L是吸收路径长度，和分别是频率为(ω₀-Ω)、ω₀和(ω₀+Ω)的激光的相移，具体的相移量与折射率相关，频率为ω的激光相移与折射率之间的关系为：

则如果将吸收后的激光照射在探测器上，则探测到的光强信号可表示为：

同样，由于a₀远小于E₀，因此，探测光强的交流部分主要为：

相比于吸收前的激光光强交流部分吸收后的激光光强交流部分幅值衰减exp[-α(ω₀)L]，即激光吸收强度在角频率为ω₀处的值，同时吸收后的激光光强交流部分的相移量为即吸收后的激光在(ω₀+Ω)和(ω₀-Ω)两个角频率处的相位差的一半，若考虑可调谐激光器扫描了气体的完整谱线，也就是ω₀随着时间线性变化、扫过完整的吸收谱区域、角频率随时间变化为ω(t)，则可获得完整的激光吸收强度及差分相位随时间变化曲线，结合ω(t)可获得激光吸收强度谱α(ω)和差分相位谱：

由于所选取的吸收谱线孤立，远离谱线处吸收为0，吸收引起的相位变化为0，则可利用式(9)从差分相位谱中提取激光吸收相位谱实现激光吸收阻抗谱的测量，激光吸收强度及相位谱与吸收率和折射率变化量直接相关，因此可以用于温度和粒子组分浓度的测量；

通过混频器降频，并对低频交流信号进行采样和正交解调，可从较低的混频信号中获得强度和相位谱，从而降低对采样系统的要求，混频器的作用是将两路输入信号相乘，低通滤波后输出，可起到降频的作用，光电探测器探测到的信号与频率为Ω-Ω₁的参考信号利用混频器进行混频，对于吸收的情况下的探测，混频后的信号可表示为：

其中，g为混频器的衰减系数，即为频率为Ω₁和2Ω-Ω₁的两个频率信号的叠加，通过低通滤波可滤除频率为2Ω-Ω₁的高频分量，则最终的探测信号为：

由上式的形式与式(8)基本一致，只有频率不同，以及幅度有固定倍数的变化，因此，通过对最终探测信号进行采样和正交解调，即可计算出激光吸收强度α(ω)及相位谱采集系统的带宽只需高于Ω₁，采样频率高于2Ω₁；

温度的计算方法是利用激光吸收强度谱面积和激光吸收相位谱峰峰值，计算二者的测量值与理论查表值的偏差，通过迭代减小偏差，实现温度和浓度的测量；首先制作激光吸收强度谱面积和激光吸收相位谱峰峰值的查找表，将参考温度T_r、浓度C_r等间隔划分为D份：

其中，T_l和T_u分别为设置的被测区域平均温度的最低下限和最高上限，C_l和C_u为分别设置的被测区域平均浓度的最低下限和最高上限，将T_r和C_r中的值一一组合，结合HITRAN2016数据库，分别仿真计算两条孤立吸收谱线的透射信号，利用高频强度调制法计算两条吸收谱线的强度谱面积A₁、A₂和相位谱峰峰值ψ₁、ψ₂，制成四个温度、浓度的二维查找表A₁(T_r,C_r)、ψ₁(T_r,C_r)和A₂(T_r,C_r)、ψ₂(T_r,C_r)；然后根据测量值进行查表，因为强度谱和相位谱均是关于C_r的严格单调递增函数，因此对T_r中一个确定的T_r(k)，能找到一个C_r(k)使得对应的查找表值与测量值的差最小，则对每一个查找表，均能得出一条随T_r变化的测量值与查找表值差距最小的曲线C＝[C(1),C(2),…,C(D)]；对于四个查找表，获得四条曲线，各曲线交点(k₁,C(k₁))即为查找目标位置，被测区域的平均温度为T＝T(k₁)，被测区域的平均浓度为C＝C(k₁)。