CN102288577A - 一种利用激光光谱测量气体参数的***和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种利用激光光谱测量气体参数的***和方法。一种利用激光光谱测量气体参数的***，锁定装置将第一激光发生器的激光输出头发出的激光信号波长锁定在第一锁定通道所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心处，控制装置采集由探测器探测到的进入接收光路装置和样品测量通道的第一激光发生器的激光输出头发出的激光信号，以及进入样品测量通道的第二激光发生器的激光输出头发出的激光信号，对采集到的激光信号进行模数转换，依据模数转换结果测量被测目标气体的浓度。上述***的测量速度受限于控制装置的数据采集时间，而目前数据采集时间最低为微秒，相对现有技术中激光器调制频率的响应时间大大提高，从而提高测量速度，减少时间消耗。

Description

一种利用激光光谱测量气体参数的***和方法

技术领域

本申请涉及激光测量技术领域，特别是涉及一种利用激光光谱测量气体参数的***和方法。

背景技术

激光吸收光谱技术是一种测量被测目标气体温度和浓度的技术，具体为：对气体中某一组分的多条吸收线进行测量，获取该组分的吸收率，进一步依据吸收率与被测目标气体温度的对应关系，以及吸收率与被测目标气体的浓度的对应关系，获得被测目标气体温度和被测目标气体的浓度。

目前常用的激光吸收光谱技术包括直接吸收光谱法和波长调制光谱法，这两种方法统称为扫描波长法，通过记录一定波段范围的激光的光谱，对谱线进行积分，从而获得两条吸收谱线的积分吸收比R：

$R=\frac{\underset{v_1}{\overset{v_1^{\′}}{\∫}}{S}_1\left(T\right){\mathrm{\φ}}_1(v-v_{01})\mathrm{dv}}{\underset{v_2}{\overset{v_2^{\text{\′}}}{\∫}}{S}_2\left(T\right){\mathrm{\φ}}_2(v-v_{02})\mathrm{dv}}=\frac{S_1\left(T_0\right)}{S_2\left(T_0\right)}\exp (-\frac{\mathrm{hc}}{k_B}(E_1^{\′\′}-E_2^{\′\′})(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0}))$

其中：v₀₁和v₀₂分别为两条吸收线的中心，h为Planck常数，c为光速，k_B为Boltzmann常数，T₀为数据库使用的标准温度296K，S(T)为吸收谱线强度，φ(v)为线型函数，由高斯型的多普勒加宽线形和洛仑兹型的压力加宽线形卷积得到，且线型函数满足∫φ(v)dv＝1，E″为跃迁下态能级能量。数据库HITRAN2008公开29种主要大气分子的吸收线中心v₀、S(T)和E″。在数据库HITRAN2008中查找与v₀₁和v₀₂对应的S(T₀)和E″，进一步结合测得的R计算得到气体温度值T。

同时，被测目标气体的的吸收率满足Beer-Lambert关系式，T_v＝I_v/I₀＝exp(-k_vL)。

其中：T_v是激光在介质中经过L光程的透射率，k_v为吸收率。

吸收率k_v是压力P下，某种被测目标气体的浓度X_gas，吸收谱线强度S(T)和线型函数φ(v)的函数，且线型函数满足∫φ(v)dv＝1。吸收率k_v可以表示为：k_v＝S(T)X_gasPφ(v)。上述两种方法可以测量激光在介质中经过L光程的透射率，进而推算出吸收率k_v，进一步依据吸收率k_v的计算公式获得被测目标气体的浓度。

然而，上述两种方法在测量被测目标气体的温度和被测目标气体的浓度时，需要对一定波段范围内的激光波长进行扫描并记录激光光谱，因此测量速度受到激光器调制频率限制，而激光器调制频率的响应时间最快为0.1ms，从而降低了测量速度，增加了时间消耗。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例公开一种利用激光光谱测量气体参数的***和方法，以提高测量速度，减少时间消耗。技术方案如下：

本申请实施例公开一种利用激光光谱测量气体参数的***，包括：第一锁定通道、两个样品测量通道、第一激光发生器、第二激光发生器、信号发生器、探测器、接收光路装置、锁定装置和控制装置，其中：

所述第一激光发生器和所述第二激光发生器包括激光电源控制器和激光输出头，所述激光电源控制器用于接收所述信号发生器产生的信号，对所述激光输出头生成的激光信号进行调制，调制后的激光信号由所述激光输出头发出；

所述锁定装置，用于接收所述探测器探测到的激光信号，对探测到的激光信号依据所述信号发生器产生的信号进行解调，生成反馈控制信号，控制第一激光发生器的激光电源控制器，以锁定第一激光发生器的激光输出头发出的调制后的激光的波长信号在所述第一锁定通道所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心v₀₁处，其中探测器探测到的激光信号为进入所述接收光路装置和第一锁定通道的第一激光发生器中的激光输出头发出的激光信号；

所述控制装置，用于采集所述探测器探测到的激光信号，对采集到的激光信号进行模数转换，依据模数转换结果测量被测目标气体的浓度，探测器探测到的激光信号为进入所述接收光路装置和所述样品测量通道的第一激光发生器中的激光输出头发出的激光信号，以及进入所述样品测量通道的第二激光发生器中的激光输出头发出的激光信号。

优选地，所述接收光路装置包括：第一分束镜和第一反射镜；所述第一分束镜将所述第一激光发生器中的激光输出头发出的调制后的激光信号分成反射光信号和透射光信号，其中反射光信号经过所述第一反射镜反射进入所述样品测量通道，透射光信号进入所述第一锁定通道。

优选地，还包括：第二锁定通道；

所述接收光路装置还包括：第二分束镜和第二反射镜；所述第二分束镜将所述第二激光发生器中的激光输出头发出的调制后的激光信号分成反射光信号和透射光信号，其中反射光信号经过所述第二反射镜反射进入所述第二锁定通道，透射光信号进入所述样品测量通道。

优选地，还包括：与所述第二锁定通道相连的探测器和锁定装置；

该锁定装置，用于接收所述探测器探测到的激光信号，对探测到的激光信号依据所述信号发生器产生的信号进行解调，生成反馈控制信号，控制第二激光发生器的激光电源控制器，以锁定第二激光发生器的激光输出头发出的调制后的激光信号的波长在所述第二锁定通道所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心v₀₂处，其中探测器探测到的激光信号为进入所述接收光路装置和第二锁定通道的第二激光发生器中的激光输出头发出的激光信号；

所述控制装置，还用于采集所述探测器探测到的激光信号，对采集到的激光信号进行模数转换，依据模数转换结果测量被测目标气体的温度，探测器探测到的激光信号为进入所述接收光路装置和所述样品测量通道的调制后的激光信号。

优选地，还包括：两个参考通道；

所述接收光路装置还包括：第三分束镜和第四分束镜；

所述第一分束镜的反射光信号经过所述第三分束镜分束为反射光信号和透射光信号，第三分束镜的反射光信号进入一个参考通道，第三分束镜的透射光信号被所述第一反射镜接收；

所述第二分束镜的反射光信号经过所述第四分束镜分束为反射光信号和透射光信号，第四分束镜的反射光信号进入另一个参考通道，第四分束镜的透射光信号被所述第二反射镜接收。

优选地，还包括：分别与所述参考通道相连的探测器；

所述控制装置，还用于采集所述探测器探测到的激光信号，对采集到的激光信号进行模数转换，依据模数转换结果测量被测目标气体的温度和被测目标气体的浓度，其中探测器探测到的激光信号为进入所述接收光路装置和所述参考通道的激光信号，以及进入所述接收光路装置和所述样品测量通道的激光信号。

优选地，所述锁定装置包括：锁相放大器和比例积分微分PID放大器；

所述锁相放大器，用于接收所述探测器探测到的激光信号，对探测到的激光信号依据所述信号发生器产生的信号进行解调，将解调后的信号发送；

所述PID放大器，用于接收所述锁相放大器发送的解调后的信号，对所述解调后的信号进行比例积分放大，生成反馈控制信号，控制所述激光电源控制器，以锁定所述激光输出头发出的调制后的激光信号的波长在所述锁定通道所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心处。

本申请实施例还公开了一种利用激光光谱测量气体参数的方法，包括：

激光电源控制器接收信号发生器产生的信号，对激光输出头生成的激光信号进行调制，调制后的激光信号由激光输出头发出；

锁定装置接收探测器探测到的激光信号，对探测到的激光信号依据信号发生器产生的信号进行解调，生成反馈控制信号，控制第一激光发生器的激光电源控制器，以锁定第一激光发生器的激光输出头发出的激光信号的波长在第一锁定通道所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心v₀₁处，其中探测器探测到的激光信号为进入接收光路装置和第一锁定通道的第一激光发生器中的激光输出头发出的激光信号；

控制装置采集探测器探测到的激光信号，对采集到的激光信号进行模数转换，依据模数转换结果测量被测目标气体的浓度，探测器探测到的激光信号为进入接收光路装置和样品测量通道的第一激光发生器中的激光输出头发出的激光信号，以及进入样品测量通道的第二激光发生器中的激光输出头发出的激光信号。

优选地，还包括：

锁定装置接收探测器探测到的激光信号，对探测到的激光信号依据信号发生器产生的信号进行解调，生成反馈控制信号，控制第二激光发生器的激光电源控制器，以锁定第二激光发生器的激光输出头发出的激光信号的波长在第二锁定通道所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心v₀₂处，其中探测器探测到的激光信号为进入接收光路装置和第二锁定通道的第二激光发生器中的激光输出头发出的激光信号；

控制装置采集探测器探测到的激光信号，对采集到的激光信号进行模数转换，依据模数转换结果测量被测目标气体的温度，探测器探测到的激光信号为进入所述接收光路装置和所述样品测量通道的激光信号。

优选地，所述依据模数转换结果测量被测目标气体的浓度具体为：

依据模数转换结果获得第一激光发生器的激光输出头发出的激光信号在吸收线中心处的吸收峰值H；

结合公式

得出被测目标气体的浓度，其中：H为吸收峰值，P为被测样品池中所有气体的总压力，L为激光信号在被测样品池中的光路的长度，φ(v)为线型函数，且线型函数满足∫φ(v)dv＝1，S(T)为吸收谱线强度；

依据模数转换结果测量被测目标气体的温度具体为：依据模数转换结果获得第一激光发生器和第二激光发生器中激光输出头发出的激光信号分别在目标分子吸收线中心v₀₁和v₀₂处的吸收峰值比R；

结合公式 $R=k_{v,1}/k_{v,2}=\frac{S_1\left(T_0\right){\mathrm{\φ}}_1\left(v\right)}{S_2\left(T_0\right){\mathrm{\φ}}_2\left(v\right)}\exp (-\frac{\mathrm{hc}}{k_B}(E_1^{\′\′}-E_2^{\′\′})(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0}))$ 得出被测目标气体的温度，其中：h为Planck常数，c为光速，k_B为Boltzmann常数，T₀为数据库使用的标准温度296K，E″为跃迁下态能级能量，S(T₀)为吸收谱线强度，φ(v)为线型函数，且线型函数满足∫φ(v)dv＝1。

应用上述技术方案，锁定装置将第一激光发生器的激光输出头发出的调制后的激光信号的波长锁定在第一锁定通道所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心v₀₁处，控制装置采集由探测器探测到的进入接收光路装置和样品测量通道的第一激光发生器的激光输出头发出的激光信号，以及进入样品测量通道的第二激光发生器的激光输出头发出的激光信号，对采集到的激光信号进行模数转换，依据模数转换结果测量被测目标气体的浓度。本申请实施例公开的利用激光光谱测量气体参数的***的测量速度受限于控制装置的数据采集时间，而目前数据采集时间最低为微秒，相对于现有技术中激光器调制频率的响应时间大大提高，从而提高了测量速度，减少了时间消耗。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的利用激光光谱测量气体参数的***的一种结构示意图；

图2为本申请实施例公开的利用激光光谱测量气体参数的***的另一种结构示意图；

图3为本申请实施例公开的利用激光光谱测量气体参数的***的再一种结构示意图；

图4为本申请实施例测量的被测目标气体温度曲线图；

图5为扫描波长法测量的被测目标气体温度曲线图；

图6为本申请实施例公开的利用激光光谱测量气体参数的***中锁定装置的结构示意图；

图7为本申请实施例公开的利用激光光谱测量气体参数的方法的一种流程图；

图8为本申请实施例公开的利用激光光谱测量气体参数的方法的另一种流程图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

一个实施例

请参阅图1，图1为本申请实施例公开的利用激光光谱测量气体参数的***，包括：第一锁定通道101、两个样品测量通道102和103、第一激光发生器104、第二激光发生器105、信号发生器106、探测器107、探测器108、探测器109、接收光路装置110、锁定装置111和控制装置112。其中：

第一锁定通道101位于目标分子样品池122中，如水样品池，第一锁定通道101的吸收线中心即为目标分子样品池中目标分子的一条吸收线中心v₀₁。样品测量通道102和103位于同一被测样品池123中。

第一激光发生器104和第二激光发生器105分别包括激光电源控制器和激光输出头，激光电源控制器用于接收信号发生器106产生的信号，对激光输出头生成的激光信号进行调制，调制后的激光信号由激光输出头发出。

第一激光发生器104的激光输出头发出的调制后的激光信号经过接收光路装置110被分成两路激光信号，一路激光信号进入第一锁定通道101。探测器107探测第一锁定通道101中的激光信号，将该激光信号发送给锁定装置111。

锁定装置111同时接收信号发生器106产生的信号，依据信号发生器106产生的信号对接收到的激光信号进行解调，并生成反馈控制信号，控制第一激光发生器104的激光电源控制器。第一激光发生器104的激光电源控制器进一步依据该反馈控制信号调制激光输出头，以锁定第一激光发生器104的激光输出头发出的激光信号的波长在第一锁定通道101所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心v₀₁处。

上述信号发生器106可以产生一个幅值为50mV，调制频率为13kHz的正弦信号，将该正弦信号分别施加在第一激光发生器104和第二激光发生器105的激光电源控制器，由激光电源控制器对激光输出头生成的激光信号进行正弦调制。信号发生器106还可以产生余弦信号，由激光电源控制器对激光输出头生成的激光信号进行余弦调制。信号发生器106产生信号的幅值和调制频率依据不同应用场景而不同，如在不同应用场景中第一锁定通道的吸收线中心不同，信号发生器106对应不同的第一锁定通道的吸收线中心，产生具有不同幅值和调制频率的信号。

第一激光发生器104被接收光路装置110分成的另一路激光信号进入样品测量通道102，由探测器108探测，且探测器108将探测到的激光信号发送给控制装置112。第二激光发生器105的激光输出头发出的激光信号直接进入样品测量通道103，由探测器109探测，且探测器109将探测到的激光信号发送给控制装置112。

接收光路装置110包括：第一分束镜1101和第一反射镜1102。第一分束镜1101将所述第一激光发生器104的激光输出头发出的调制后的激光信号分成反射光信号和透射光信号，其中反射光信号经过第一反射镜1102反射进入样品测量通道102，透射光信号进入第一锁定通道101。

控制装置112，分别采集探测器108和109探测到的激光信号，对采集到的激光信号进行模数转换，依据模数转换结果测量被测目标气体的浓度。具体为：

假设控制装置112对采集到的探测器108和109所探测到的激光信号的模数转换结果分别为I₁和I₂，由于第一激光发生器104的激光输出头发出的调制后的激光信号的波长锁定在第一锁定通道101所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心v₀₁处，而第二激光发生器105的激光输出头发出的激光信号波长被置于吸收线外，所以两个转换结果的比值为第一激光发生器104的激光输出头发出的激光信号波长处(即目标分子的吸收线中心v₀₁处)的吸收峰值H，即目标分子的吸收线中心v₀₁处的吸收峰值H为H＝I₁/I₂。

在获得吸收峰值H后，结合公式

得出被测目标气体的浓度，其中：H为吸收峰值，L为激光信号在被测样品池123中的光路的长度，可直接测量得到，φ(v)为线型函数，由高斯型的多普勒加宽线形和洛仑兹型的压力加宽线形卷积得到，且线型函数满足∫φ(v)dv＝1，S(T)为吸收谱线强度，P为被测样品池123中所有气体的总压力，可以通过压力传感器测量。数据库HITRAN2008公开29种主要大气分子的吸收谱线的中心v₀、S(T₀)和E″，其中：T₀为数据库使用的标准温度296K，在该数据库中可以查找S(T)，进而获知被测目标气体的浓度。

应用上述技术方案，锁定装置111将第一激光发生器104的激光输出头发出的调制后的激光信号的波长锁定在第一锁定通道101所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心v₀₁处，控制装置112采集由探测器探测到的进入接收光路装置110和样品测量通道102的第一激光发生器104的激光输出头发出的调制后的激光信号，以及进入样品测量通道103的第二激光发生器105的激光输出头发出的调制后的激光信号，对采集到的激光信号进行模数转换，依据模数转换结果测量被测目标气体的浓度。

发明人经过多次实验总结出本申请实施例公开的利用激光光谱测量气体参数的***的测量速度只受限于控制装置112的数据采集时间，而目前数据采集时间最低为微秒，相对于现有技术中激光器调制频率的响应时间大大提高，从而提高了测量速度，减少了时间消耗。

另一个实施例

上述***实施例可以测量在被测目标气体的浓度，被测目标气体的温度作为被测目标气体的重要参数，对其的测量有利于研究人员对环境和气候进行分析。本申请实施例还公开了另一种利用激光光谱测量气体参数的***，该***可以测量被测目标气体的温度，进一步测量不同温度下被测目标气体的浓度。

请参阅图2，图2为本申请实施例公开的利用激光光谱测量气体参数的***的另一种结构示意图，以图1为基础，增加了第二锁定通道113、与第二锁定通道113相连的探测器114和锁定装置115。其中：

第二锁定通道113与第一锁定通道101位于同一目标分子样品池122中，且第二锁定通道113的吸收线中心为目标分子样品池122中目标分子的另一条吸收线中心v₀₂。

锁定装置115，用于接收探测器114探测到的激光信号，对探测到的激光信号依据信号发生器106产生的信号进行解调，生成反馈控制信号，控制第二激光发生器105的激光电源控制器。第二激光发生器105的激光电源控制器进一步依据该反馈控制信号调制激光输出头，以锁定激光输出头发出的调制后的激光信号的波长在第二锁定通道113所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心v₀₂处，其中探测器114探测到的激光信号为进入接收光路装置110和第二锁定通道113的第二激光发生器105的激光输出头发出的调制后的激光信号。

进一步，控制装置112，分别采集探测器108和109探测到的激光信号，对采集到的激光信号进行模数转换，依据模数转换结果测量被测目标气体的温度。其中：探测器108探测到的激光信号为由第一激光发生器104的激光输出头发出，进入接收光路装置110和样品测量通道102的激光信号。探测器109探测到的激光信号为第二激光发生器105的激光输出头发出，进入接收光路装置110和样品测量通道103的激光信号。

控制装置112依据模数转换结果测量被测目标气体的温度具体为：

假设控制装置112对采集到的探测器108和109所探测到的激光信号的模数转换结果分别为I₃和I₄，由于第一激光发生器104和第二激光发生器105的激光输出头发出的调制后的激光信号的波长分别被锁定在第一锁定通道101和第二锁定通道113所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心v₀₁和v₀₂处，所以两个转换结果的比值为目标分子在在吸收线中心v₀₁和v₀₂处的吸收峰值比R，即吸收峰值比R为R＝I₃/I₄。

在获得吸收峰值比R后，结合公式 $R=k_{v,1}/k_{v,2}=\frac{S_1\left(T_0\right){\mathrm{\φ}}_1\left(v\right)}{S_2\left(T_0\right){\mathrm{\φ}}_2\left(v\right)}\exp (-\frac{\mathrm{hc}}{k_B}(E_1^{\′\′}-E_2^{\′\′})(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0}))$ 得出被测目标气体的温度，其中：h为Planck常数，c为光速，k_B为Boltzmann常数，T₀为数据库使用的标准温度296K，E″为跃迁下态能级能量，S(T₀)为吸收谱线强度，φ(v)为线型函数，由高斯型的多普勒加宽线形和洛仑兹型的压力加宽线形卷积得到，且线型函数满足∫φ(v)dv＝1。

控制装置112测得被测目标气体的温度作为当前气体温度。在测得当前气体温度后，操作人员可以对两个锁定装置进行操作，控制任意一个激光发生器的激光电源控制器，使激光输出头发出的调制后的激光信号锁定在其进入的锁定通道的吸收线中心v₀₁处，另一个激光发生器的激光输出头发出的激光信号置于目标分子吸收线外。控制装置112则可以进一步测量当前气体温度下的被测目标气体的浓度，具体过程请参见上一实施例。

上述接收光路装置110在图1基础上还包括：第二分束镜1103和第二反射镜1104。第二分束镜1103将第二激光发生器105的激光输出头发出的调制后的激光信号分成反射光信号和透射光信号，其中反射光信号经过第二反射镜1104反射进入第二锁定通道113，透射光信号进入样品测量通道103。从图2所示的利用激光光谱测量气体参数的***可以看出：上述第一激光发生器104和第二激光发生器105的激光输出头发出的调制后的激光信号都被接收光路装置110分成两路，分别进入不同的通道被不同的探测器探测。

应用上述技术方案，可以实现对被测目标气体的温度以及该温度下被测目标气体的浓度的测量。同时，发明人经过多次实验发现，本申请实施例公开的利用激光光谱测量气体参数的***的测量速度仍只受限于控制装置112的数据采集时间，而目前数据采集时间最低为微秒，相对于现有技术中激光器调制频率的响应时间大大提高，从而提高了测量速度，减少了时间消耗。

再一个实施例

上述两个***实施例在测量被测目标气体的浓度和被测目标气体的温度时，并未考虑被测样品池中大气吸收对激光输出头发出的调制后的激光信号的影响，降低测量精度。为了避免上述影响，本申请实施例还公开了另一种利用激光光谱测量气体参数的***，结构示意图请参阅图3。

图3是本申请实施例公开的利用激光光谱测量气体参数的***的再一种结构示意图，以图2为基础，增加两个参考通道116和117、探测器118和119。其中：

接收光路装置110还包括：第三分束镜1105和第四分束镜1106。第一分束镜1101的反射光信号经过第三分束镜1105分束为反射光信号和透射光信号，第三分束镜1105的反射光信号进入参考通道116，第三分束镜1105的透射光信号被第一反射镜1102接收。

第二分束镜1103的反射光信号经过第四分束镜1106分束为反射光信号和透射光信号，第四分束镜1106的反射光信号进入参考通道117，第四分束镜1106的透射光信号被第二反射镜1104接收。

上述参考通道116和117位于大气中，进入参考通道116和117的信号分别被探测器118和119探测。进一步，控制装置112，采集探测器108、109、118和119探测到的激光信号，对采集到的激光信号进行模数转换，依据模数转换结果测量被测目标气体的温度和被测目标气体的浓度，其中探测器118探测到的激光信号为进入接收光路装置110和参考通道116的激光信号，探测器119探测到的激光信号为进入接收光路装置110和参考通道117的激光信号，探测器108探测到的激光信号为进入接收光路装置110和样品测量通道102的激光信号，探测器109探测到的激光信号为进入接收光路装置110和样品测量通道103的激光信号。

在测量被测目标气体温度时，第一激光发生器104和第二激光发生器105的激光输出头发出的调制后的激光信号的波长分别被锁定在第一锁定通道101和第二锁定通道113所处目标分子样品池目标分子的吸收线中心v₀₁和v₀₂处。依据模数转换结果测量被测目标气体的温度具体为：

假设控制装置112对采集到的探测器108、109、118和119所探测到的激光信号的模数转换结果分别为I₅、I₆、I₇和I₈，转换结果的比值为第一激光发生器104和第二激光发生器105的激光输出头发出的激光信号在吸收线中心处的吸收峰值比R，即吸收峰值比R为R＝(I₅/I₇)/(I₆/I₈)。

在获得吸收峰值比R后，结合公式 $R=k_{v,1}/k_{v,2}=\frac{S_1\left(T_0\right){\mathrm{\φ}}_1\left(v\right)}{S_2\left(T_0\right){\mathrm{\φ}}_2\left(v\right)}\exp (-\frac{\mathrm{hc}}{k_B}(E_1^{\′\′}-E_2^{\′\′})(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0}))$ 得出气体的温度，其中：h为Planck常数，c为光速，k_B为Boltzmann常数，T₀为数据库使用的标准温度296K，E″为跃迁下态能级能量，S(T₀)为吸收谱线强度，φ(v)为线型函数，由高斯型的多普勒加宽线形和洛仑兹型的压力加宽线形卷积得到，且线型函数满足∫φ(v)dv＝1。

上述在获取吸收峰值比R时，控制装置112会同时采集两个样品测量通道和参考通道中的激光信号，而参考通道中的激光信号用来校正样品测量通道中大气吸收对激光信号的影响，因此上述获取峰值比R的方法提高了峰值比R精度，进一步提高整体测量精度。

在测量被测目标气体的浓度时，第一激光发生器104的激光输出头发出的调制后的激光的波长被锁定在第一锁定通道101所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心v₀₁处。依据模数转换结果测量被测目标气体的浓度具体为：

假设控制装置112对采集到的探测器108、109、118和119所探测到的激光的模数转换结果分别为I₅、I₆、I₇和I₈，转换结果的比值为第一激光发生器104的激光输出头发出的调制后的激光在吸收线中心v₀₁处的峰值H，即第一激光发生器104的激光输出头发出的激光在吸收线中心处的吸收峰值H为H＝(I₅/I₇)/(I₆/I₈)。

在获得吸收峰值H后，结合公式

得出被测目标气体的浓度，其中：H为吸收峰值，P为被测样品池123中所有气体的总压力，L为激光信号在被测样品池123中的光路的长度，可直接测量得到，φ(v)为线型函数，由高斯型的多普勒加宽线形和洛仑兹型的压力加宽线形卷积得到，且线型函数满足∫φ(v)dv＝1，S(T)为吸收谱线强度。

依据图3所示的利用激光光谱测量气体参数的***测出的被测目标气体温度的曲线图如图4所示。图5为扫描波长法测出的气体温度曲线图，其中：图5的横坐标为实验次数。图4和图5为根据HITRAN2008选择两条中心分别位于1365.03nm和1397.08nm的吸收线，压力P为9600Pa、常温下测得。同时采用半导体温度计监测气体温度为295±1K。

从上述两个曲线图得出，本申请实施例公开的利用激光光谱测量气体参数的***测出的被测目标气体温度为296±1K，测量速度为400kHz，单点响应时间为2.5μs。扫描波长法测出的被测目标气体温度在1-10Hz低速测量准确度高，而在100Hz速度测量时，测量准确度低。

需要说明的是：扫描波长法的温度测量不确定度为：

而本申请***的温度测量不准确度为：利用实验测量的积分吸收比和峰高吸收比的相对误差

即可推算出采用不同测量方法温度的测量误差。很明显地，采用本申请测量温度时，两条线型函数比相对误差

也会导致温度测量偏差。因此本申请对吸收线对的选择更为严格，需要满足以下条件：吸收线较为孤立；吸收率不低于5％；两条吸收线的下态能级差足够大；两条吸收线的自碰撞加宽系数γ_self、空气碰撞加宽系数γ_air及其温度依赖系数n_air近似相同；吸收线的空气压力位移δ_air尽量小。

应用上述技术方案，避免了样品测量通道所处被测样品池123对激光输出头发出的调制后的激光信号的影响，提高测量精度。

上述图1至图3所示的利用激光光谱测量气体参数的***中，锁定装置111和115的结构示意图如图6所示，包括：锁相放大器120和PID(ProportionIntegration Differentiation，比例积分微分)放大器121；

锁相放大器120，用于接收探测器探测到的激光信号，对探测到的激光信号依据信号发生器106产生的信号进行解调，将解调后的信号发送。锁定装置111中的锁相放大器120接收探测器107探测到的激光信号，锁定装置115中的锁相放大器120接收探测器114探测到的激光信号。

PID放大器121，用于接收锁相放大器120发送的解调后的信号，对解调后的信号进行比例积分放大，生成反馈控制信号，控制激光电源控制器，以锁定激光输出头发出的调制后的激光信号的波长在锁定通道所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心处。

上述图1至图3所示的利用激光光谱测量气体参数的***中激光输出头为半导体二极管激光输出头，探测器均为带宽为10MHz的InGaAs红外探测器。

与上述***实施例相对应，本申请实施例还公开一种利用激光光谱测量气体参数的方法，流程图如图7所示，包括：

S101：激光电源控制器接收信号发生器产生的信号，对激光输出头生成的激光信号进行调制，调制后的激光信号由激光输出头发出。

S102：锁定装置接收探测器探测到的激光信号，对探测到的激光信号依据信号发生器产生的信号进行解调，生成反馈控制信号，控制第一激光发生器中的激光电源控制器，以锁定激光输出头发出的调制后的激光信号的波长在第一锁定通道所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心v₀₁处，其中探测器探测到的激光信号为进入接收光路装置和第一锁定通道的第一激光发生器中的激光输出头发出的激光信号；

S103：控制装置采集探测器探测到的激光信号，对采集到的激光信号进行模数转换，依据模数转换结果测量被测目标气体的浓度，探测器探测到的激光信号为进入接收光路装置和样品测量通道的第一激光发生器中的激光输出头发出的激光信号，以及进入样品测量通道的第二激光发生器中的激光输出头发出的激光信号。

图8所示的利用激光光谱测量气体参数的方法，在图7基础上，实现对被测目标气体温度测量，还包括：

S104：锁定装置接收探测器探测到的激光信号，对探测到的激光信号依据信号发生器产生的信号进行解调，生成反馈控制信号，控制第二激光发生器中的激光电源控制器，以锁定激光输出头发出的调制后的激光信号的波长在所述第二锁定通道所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心v₀₂处，其中探测器探测到的激光信号为进入接收光路装置和第二锁定通道的第二激光发生器中的激光输出头发出的激光信号；

S105：控制装置采集探测器探测到的激光信号，对采集到的激光信号进行模数转换，依据模数转换结果测量被测目标气体的温度，探测器探测到的激光信号为进入所述接收光路装置和所述样品测量通道的激光信号。

其中：依据模数转换结果测量被测目标气体的浓度具体为：

依据模数转换结果获得第一激光发生器中激光输出头发出的激光信号在目标分子吸收线中心处的吸收峰值；

结合公式

得出被测目标气体的浓度，其中：H为吸收峰值，P为被测样品池123中所有气体的总压力，可以通过压力传感器测量，L为激光信号在被测样品池123中的光路的长度，可直接测量得到，φ(v)为线型函数，S(T)为吸收谱线强度。

依据模数转换结果测量被测目标气体的温度具体为：依据模数转换结果获得第一激光发生器和第二激光发生器中激光输出头发出的调制后的激光信号分别在目标分子两条吸收线中心v₀₁和v₀₂处的吸收峰值比；

结合公式 $R=k_{v,1}/k_{v,2}=\frac{S_1\left(T_0\right){\mathrm{\φ}}_1\left(v\right)}{S_2\left(T_0\right){\mathrm{\φ}}_2\left(v\right)}\exp (-\frac{\mathrm{hc}}{k_B}(E_1^{\′\′}-E_2^{\′\′})(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0}))$ 得出被测目标气体的温度，其中：h为Planck常数，c为光速，k_B为Boltzmann常数，T₀为数据库使用的标准温度296K，E″为跃迁下态能级能量，S(T₀)为吸收谱线强度，φ(v)为线型函数的函数，由高斯型的多普勒加宽线形和洛仑兹型的压力加宽线形卷积得到，且线型函数满足∫φ(v)dv＝1。

上述方法实施例的步骤的具体实施请参阅***实施例中的相关说明，对此不再加以阐述。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用激光光谱测量气体参数的***，其特征在于，包括：第一锁定通道、两个样品测量通道、第一激光发生器、第二激光发生器、信号发生器、探测器、接收光路装置、锁定装置和控制装置，其中：

所述第一激光发生器和所述第二激光发生器包括激光电源控制器和激光输出头，所述激光电源控制器用于接收所述信号发生器产生的信号，对所述激光输出头生成的激光信号进行调制，调制后的激光信号由所述激光输出头发出；

所述锁定装置，用于接收所述探测器探测到的激光信号，对探测到的激光信号依据所述信号发生器产生的信号进行解调，生成反馈控制信号，控制第一激光发生器的激光电源控制器，以锁定第一激光发生器的激光输出头发出的调制后的激光的波长信号在所述第一锁定通道所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心v₀₁处，其中探测器探测到的激光信号为进入所述接收光路装置和第一锁定通道的第一激光发生器中的激光输出头发出的激光信号；

所述控制装置，用于采集所述探测器探测到的激光信号，对采集到的激光信号进行模数转换，依据模数转换结果测量被测目标气体的浓度，探测器探测到的激光信号为进入所述接收光路装置和所述样品测量通道的第一激光发生器中的激光输出头发出的激光信号，以及进入所述样品测量通道的第二激光发生器中的激光输出头发出的激光信号。

2.根据权利要求1所述的利用激光光谱测量气体参数的***，其特征在于，所述接收光路装置包括：第一分束镜和第一反射镜；所述第一分束镜将所述第一激光发生器中的激光输出头发出的调制后的激光信号分成反射光信号和透射光信号，其中反射光信号经过所述第一反射镜反射进入所述样品测量通道，透射光信号进入所述第一锁定通道。

3.根据权利要求2所述的利用激光光谱测量气体参数的***，其特征在于，还包括：第二锁定通道；

所述接收光路装置还包括：第二分束镜和第二反射镜；所述第二分束镜将所述第二激光发生器中的激光输出头发出的调制后的激光信号分成反射光信号和透射光信号，其中反射光信号经过所述第二反射镜反射进入所述第二锁定通道，透射光信号进入所述样品测量通道。

4.根据权利要求3所述的利用激光光谱测量气体参数的***，其特征在于，还包括：与所述第二锁定通道相连的探测器和锁定装置；

该锁定装置，用于接收所述探测器探测到的激光信号，对探测到的激光信号依据所述信号发生器产生的信号进行解调，生成反馈控制信号，控制第二激光发生器的激光电源控制器，以锁定第二激光发生器的激光输出头发出的调制后的激光信号的波长在所述第二锁定通道所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心v₀₂处，其中探测器探测到的激光信号为进入所述接收光路装置和第二锁定通道的第二激光发生器中的激光输出头发出的激光信号；

所述控制装置，还用于采集所述探测器探测到的激光信号，对采集到的激光信号进行模数转换，依据模数转换结果测量被测目标气体的温度，探测器探测到的激光信号为进入所述接收光路装置和所述样品测量通道的调制后的激光信号。

5.根据权利要求4所述的利用激光光谱测量气体参数的***，其特征在于，还包括：两个参考通道；

所述接收光路装置还包括：第三分束镜和第四分束镜；

所述第一分束镜的反射光信号经过所述第三分束镜分束为反射光信号和透射光信号，第三分束镜的反射光信号进入一个参考通道，第三分束镜的透射光信号被所述第一反射镜接收；

所述第二分束镜的反射光信号经过所述第四分束镜分束为反射光信号和透射光信号，第四分束镜的反射光信号进入另一个参考通道，第四分束镜的透射光信号被所述第二反射镜接收。

6.根据权利要求5所述的利用激光光谱测量气体参数的***，其特征在于，还包括：分别与所述参考通道相连的探测器；

所述控制装置，还用于采集所述探测器探测到的激光信号，对采集到的激光信号进行模数转换，依据模数转换结果测量被测目标气体的温度和被测目标气体的浓度，其中探测器探测到的激光信号为进入所述接收光路装置和所述参考通道的激光信号，以及进入所述接收光路装置和所述样品测量通道的激光信号。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的利用激光光谱测量气体参数的***，其特征在于，所述锁定装置包括：锁相放大器和比例积分微分PID放大器；

所述锁相放大器，用于接收所述探测器探测到的激光信号，对探测到的激光信号依据所述信号发生器产生的信号进行解调，将解调后的信号发送；

所述PID放大器，用于接收所述锁相放大器发送的解调后的信号，对所述解调后的信号进行比例积分放大，生成反馈控制信号，控制所述激光电源控制器，以锁定所述激光输出头发出的调制后的激光信号的波长在所述锁定通道所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心处。

8.一种利用激光光谱测量气体参数的方法，其特征在于，包括：

激光电源控制器接收信号发生器产生的信号，对激光输出头生成的激光信号进行调制，调制后的激光信号由激光输出头发出；

锁定装置接收探测器探测到的激光信号，对探测到的激光信号依据信号发生器产生的信号进行解调，生成反馈控制信号，控制第一激光发生器的激光电源控制器，以锁定第一激光发生器的激光输出头发出的激光信号的波长在第一锁定通道所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心v₀₁处，其中探测器探测到的激光信号为进入接收光路装置和第一锁定通道的第一激光发生器中的激光输出头发出的激光信号；

控制装置采集探测器探测到的激光信号，对采集到的激光信号进行模数转换，依据模数转换结果测量被测目标气体的浓度，探测器探测到的激光信号为进入接收光路装置和样品测量通道的第一激光发生器中的激光输出头发出的激光信号，以及进入样品测量通道的第二激光发生器中的激光输出头发出的激光信号。

9.根据权利要求8所述的利用激光光谱测量气体参数的方法，其特征在于，还包括：

锁定装置接收探测器探测到的激光信号，对探测到的激光信号依据信号发生器产生的信号进行解调，生成反馈控制信号，控制第二激光发生器的激光电源控制器，以锁定第二激光发生器的激光输出头发出的激光信号的波长在第二锁定通道所处目标分子样品池中目标分子的吸收线中心v₀₂处，其中探测器探测到的激光信号为进入接收光路装置和第二锁定通道的第二激光发生器中的激光输出头发出的激光信号；

控制装置采集探测器探测到的激光信号，对采集到的激光信号进行模数转换，依据模数转换结果测量被测目标气体的温度，探测器探测到的激光信号为进入所述接收光路装置和所述样品测量通道的激光信号。

10.根据权利要求9所述的利用激光光谱测量气体参数的方法，其特征在于，所述依据模数转换结果测量被测目标气体的浓度具体为：

依据模数转换结果获得第一激光发生器的激光输出头发出的激光信号在吸收线中心处的吸收峰值H；

结合公式

得出被测目标气体的浓度，其中：H为吸收峰值，P为被测样品池中所有气体的总压力，L为激光信号在被测样品池中的光路的长度，φ(v)为线型函数，且线型函数满足∫φ(v)dv＝1，S(T)为吸收谱线强度；

依据模数转换结果测量被测目标气体的温度具体为：依据模数转换结果获得第一激光发生器和第二激光发生器中激光输出头发出的激光信号分别在目标分子吸收线中心v₀₁和v₀₂处的吸收峰值比R；

结合公式 $R=k_{v,1}/k_{v,2}=\frac{S_1\left(T_0\right){\mathrm{\φ}}_1\left(v\right)}{S_2\left(T_0\right){\mathrm{\φ}}_2\left(v\right)}\exp (-\frac{\mathrm{hc}}{k_B}(E_1^{\′\′}-E_2^{\′\′})(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0}))$ 得出被测目标气体的温度，其中：h为Planck常数，c为光速，k_B为Boltzmann常数，T₀为数据库使用的标准温度296K，E″为跃迁下态能级能量，S(T₀)为吸收谱线强度，φ(v)为线型函数，且线型函数满足∫φ(v)dv＝1。

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