[发明专利]一种基于激光色散光谱的温度和振幅遥测系统与方法

权利要求书

1.一种基于激光色散光谱的温度和振幅遥测系统，包括激光发射模块(101)、电光调制器(102)、分束器(103)、准直镜(104)、光电探测器1(105)、透射反射一体化光学模块(106)、气体池(107)、原向反射器件(108)、光电探测器(109)和数据采集处理模块(110)；激光发射模块(101)发出调制激光通过电光调制器(102)进行高频强度调制后通过分束器(103)分为两束，一束直接输入光电探测器1(105)后输入数据采集处理模块(110)，另一束通过准直镜(104)准直后穿过透射反射一体化光学模块(106)入射到气体池(107)，穿过气体池(107)的光通过原向反射器件(108)后原路反射到透射反射一体化光学模块(106)，然后会聚到光电探测器2(109)后输入数据采集处理模块(110)实现对热振参数的解算；由光电探测器1(105)和光电探测器2(109)分别通过相敏检测获得初始相位和探测相位然后探测相位的非吸收部分拟合得到由于距离变化引起的相变通过相变与初始相位的差得到距离相位，计算振动引起的振幅变化，通过探测相位与相变的差得到吸收相位，通过比色法计算气体池(107)中气体温度。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光色散光谱的温度和振幅遥测系统，其特征在于，所述的激光发射模块(101)出射的激光通过电光调制器(102)，实现对光的高频强度调制，在中心波长两侧产生两个频谱带，产生三色激光，为了实现对温度和振幅的同步测量，三色激光被分为两束，一束由电光探测器1(105)接收，用于计算初始相位，一束通过待测目标后，由电光探测器2(109)接收，用于计算探测相位；所述的透射反射一体化光学模块(106)可以对来自不同方向的激光束分别实现透射和反射的功能，探测信号通过透射反射一体化光学模块(106)后由原向反射器件(108)将激光束后向反射回原始方向，然后由透射反射一体化光学模块(106)通过反射将光束偏离原始光路，并会聚到光电探测器2(109)，实现对传感器信号的收发一体化。

3.一种基于激光色散光谱的温度和振幅遥测方法，应用权利要求2所述的一种基于激光色散光谱的温度和振幅遥测系统，其特征在于，首先通过调制激光发射模块(101)的注入电流和温度来控制激光器的输出波长和光强，激光发射模块(101)通过调制后发出扫频激光，在某一时刻，将激光器发出的激光看成频率为ω₀的单频激光，激光通过调制频率为Ω的电光调制器(102)进行强度调制，产生具有已知频率间隔Ω的三色光束，然后通过分束器(103)将调制后的激光分为两束，一束光作为参考信号直接输入光电探测器1(105)以获得初始相位；另一束光作为探测信号通过准直镜(104)准直后通过透射反射一体化光学模块(106)到达气体池(107)；通过气体池(107)后的光，由于分子跃迁会同时发生吸收和色散，通过气体池(107)的三色激光在目标吸收跃迁附近会由于不同的折射率引起不同相移；然后通过原向反射器件(108)沿着原始光的方向反向传播到达透射反射一体化光学模块(106)并会聚到光电探测器2(109)，由气体池(107)中气体样品的温度和振动引起的位移变化引起的相变，可以表示为

其中，和分别表是由光程变化和色散引起的相变，ω₀是光频，c是光速，n是折射率，ΔL和L_c分别是总光程和气体池(107)的长度，Ω是电光调制器的调制频率，决定系统的测量相位的能力，在公式(1)中，前一项为非吸收光路引起的相位变化，后一项为吸收色散引起的相位变化，首先通过对探测信号的非吸收部分拟合得到由于距离变化引起的相位偏移，通过求解基准相位谱，可以得到目标振动的频谱分布，对应的光程长度可以表示为

其中，是由光电探测器1(105)得到的初始相位，可以消去群延迟相位对测量结果的影响，通过与初相位的差，可以获得由振动引起的监测仪器与气体池(107)的距离变化所产生的绝对相位变化，进而可以获得绝对的距离变化，距离变化的平均值即为目标所在的位置信息，最后通过对基线的偏移相位进行频谱求解可以得到振动的频率分布；当激光扫过分子跃迁时，吸收和色散同时发生，从Kramers-Kronig关系可知，折射率是与吸收相关的函数，可以表示为

其中，ω是光的频率，α(ω)是位于频率ω处的吸收系数；

利用气体的色散光谱可以得到和吸收光谱一样气体信息，两条不同分子跃迁处的色散光谱的峰峰值反映了不同谱线处的线强度；结合HITRAN数据库，通过仿真计算两条谱线相位峰峰值，制成比值与温度的查找表，然后根据测量值进行查表，计算测量值与理论查表值的偏差，通过迭代减小偏差，实现温度的测量；通过所述的热振遥测系统，可以实现对高温振动目标温度和振幅的多参数测量。