CN111781153A - 一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，以半导体激光器作为激光光源进行线性扫频和调制后，发射的光分成两路，即信号光和本振光，信号光经激光准直后射入被测空间，经实际地形目标后向散射回来的光经激光回波接收装置接收后导入光纤耦合器，光纤耦合器将返回信号光和本振光合束，发生干涉后由光电探测器探测；光电探测器输出信号经带通滤波和肖特基二极管探测器检波后送入锁相放大器进行谐波探测从而得到被测气体浓度。本发明所述的波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，能有效降低噪声干扰并放大返回信号，具有探测能力强，灵敏度高和探测距离远的优点。

Description

一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法

技术领域

本发明属于气体遥测领域，尤其是涉及一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法。

背景技术

对气体浓度的远距离遥测是一种备受追捧的能力。现代工业生产中往往需要开采、制造、运输、储存和使用各种易燃、易爆、有毒的气体。如果能够对于这些危险气体的排放、泄漏进行远距离遥测，就可以保证工作人员的生命安全。而对于一些常见环境气体，如二氧化碳，是温室气体的主要组成，也是人体呼出气体的主要部分，如果能够在远距离方便地对二氧化碳气体进行遥测，那么便可以很容易对工厂废气、汽车尾气的排放情况进行评估，在教室和商场等公共场所可以评估室内排气***效果，在安防和反恐中可以探测伪装和隐蔽的人员。

目前的激光光谱气体浓度遥测技术，主要分为对射式遥测技术和非合作目标遥测技术。对射式遥测技术包括可调谐激光吸收光谱(TDLAS)、啁啾激光色散光谱(CLaDS)、双光梳光谱(DCS)等，这些光谱技术需要现场布设反射器，只能在固定位置测量，无法方便地对不同位置的气体进行检测，使用非常受限。非合作目标光谱遥测技术包括差分吸收激光雷达(DIAL)、被动激光外差光谱(LHR)、波长调制光谱(WMS)、主动激光外差光谱(ALHS)等，这些光谱利用气体后方的地形和障碍物表面对激光进行后向反射，或者采用被动检测方式进行检测。差分吸收激光雷达依赖于复杂的光学元件和庞大沉重的设备，非常难以携带和使用，不能应对所需的多种使用场景；被动外差激光光谱依赖太阳光，在无太阳光的场合无法使用；而波长调制光谱技术、主动外差光谱技术制作的***携带和使用方便，且不受太阳光限制，适合多场景中对气体进行遥测，但它们的极限检测距离较短，分别为10米左右和40米左右，不能完全满足测量需求。

激光光谱对气体遥测的主要限制在于长距离测量时噪声强烈、返回信号偏弱，导致可用测量距离受限。而非合作目标光谱技术，由于地形反射通常为漫反射，***可接收到的反射信号更少，在5米距离上使用功率为10mW的激光对地面照射时，***收集到的漫散射光功率在nW范围内，极大限制了测量距离。本发明的波长调制-主动激光外差光谱由于结合了噪声抑制和信号放大能力，可以延长极限测量距离约数十米甚至上百米，对气体浓度的遥测更为方便，应用面更广。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，以解决现有遥测方法在长距离测量时噪声强烈、返回信号偏弱，导致可用测量距离受限的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，包括如下步骤：

步骤一：配置激光器，使激光波长扫覆盖目标气体谱线；

步骤二：将激光器发射的光束分为信号光和本振光，信号光经激光准直发射装置向目标气体发送发射信号光，本振光导入光纤耦合器；

步骤三：发射信号光被目标气体吸收并被反射面反射后形成返回信号光，返回信号光经激光接收聚焦装置聚焦后导入光纤耦合器，光纤耦合器将返回信号光和本振光合束，产生差拍信号，并接入光电探测器；

步骤四：光电探测器输出信号经带通滤波器过滤噪声，再通过肖特基二极管探测器进行包络检波输出包络线，导入到锁相放大器中进行谐波检测，输出一次谐波与二次谐波信号；

步骤五：使用信号采集卡采集谐波信号，并导入到计算机中，计算出气体浓度数据。

进一步的，所述步骤一中配置激光器的具体过程为：通过信号发生装置产生锯齿信号和正弦信号，将锯齿信号和正弦信号叠加后接入激光控制器，对激光器进行调谐和调制，激光控制器接受信号发生装置的信号后，直接控制激光器的输出波长。

进一步的，所述发射信号光与返回信号光的光强关系符合Lambert-Beer定律：

其中ρ为反射面的反射率，I₁为发射信号光强；I₂为返回信号光强；P为压强(atm)；S(T)为谱线吸收强度(cm^-2·atm^-1)；

为气体吸收线型函数；L为激光经过气体长度(cm)；X为气体浓度。

进一步的，所述步骤二中将激光器发射的光束分为信号光和本振光对的具体方法为：当采用单激光器时，激光器通过光纤耦合器分光，其中一部分作为信号光，另一部分作为本振光；当采用双激光器时，包括激光器A和激光器B，其中激光器A发出的激光作为信号光，激光器B发出的激光作为本振光。

进一步的，所述差拍信号的表示公式为：

其中G为光电增益系数，ω₀、ω₂为本振光与返回信号光的角频率，t为时间变量，ρ为反射面的反射率，P为压强(atm)；S(T)为谱线吸收强度(cm^-2·atm^-1)；

为气体吸收线型函数；L为激光经过气体长度(cm)；X为气体浓度。

进一步的，所述步骤五中的计算过程为：计算机根据目标气体谱线的中心波长，读取对应位置的一次谐波信号与二次谐波信号数值，并计算出此位置上二次谐波与一次谐波的比值，该比值与气体浓度存在以下换算关系：

其中，i为激光器的线性强度调制系数，由实际使用的激光器特性决定；R₂₁为目标气体谱线中心波长处二次谐波与一次谐波的比值；a为调制深度(cm^-1)；θ为相位角，等于2πft，其中f为调制频率；X为气体浓度。

相对于现有技术，本发明所述的波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法具有以下优势：

(1)本发明所述的波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，将两种光谱技术结合，通过从差拍信号提取波长调制返回信号并解调，可以有效降低噪声干扰并放大返回信号，对微弱光的探测能力更强，所以拥有更远的灵敏度和探测距离，即同时拥有波长调制光谱、主动激光外差光谱两种技术的优势。

(2)本发明所述的波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，采用波长调制-主动激光外差光谱(WM-ALHS)，相比于独立的波长调制光谱以及主动激光外差光谱拥有高的灵敏度和更远的极限测量距离，波长调制光谱利用高频信号对激光进行调制，最终使用谐波进行检测，这样可以过滤掉低频噪声，极大提高***的信噪比；而主动激光外差光谱的输出功率正比于信号光与本振光功率，在反射信号光微弱时，通过高功率的本振光可将反射信号光功率放大几个数量级，极大提升了***的灵敏度。

(3)本发明所述的波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，有两种实现方式，一种使用单激光器，另一种使用双激光器，两种方式旨在通过不同方式调整信号相位，但最终达到的测量效果相同，使得该方法通用性更强。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的使用单激光器进行气体遥测的流程图；

图2为本发明实施例所述的使用双激光器进行气体遥测的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，如图1和图2所示，包括如下步骤：

步骤一：配置激光器，使激光波长扫描覆盖目标气体谱线；

步骤二：将激光器发射的光束分为信号光和本振光，信号光经激光准直发射装置向目标气体发送发射信号光，本振光导入光纤耦合器；

步骤三：发射信号光被目标气体吸收并被反射面反射后形成返回信号光，返回信号光经激光接收聚焦装置聚焦后导入光纤耦合器，光纤耦合器将返回信号光和本振光合束，产生差拍信号，并接入光电探测器；

步骤四：光电探测器输出信号经带通滤波器过滤噪声，再通过肖特基二极管探测器进行包络检波输出包络线，导入到锁相放大器中进行谐波检测，输出一次谐波与二次谐波信号；

步骤五：使用信号采集卡采集谐波信号，并导入到计算机中，计算出气体浓度数据。

采用波长调制-主动激光外差光谱(WM-ALHS)，相比于独立的波长调制光谱以及主动激光外差光谱拥有高的灵敏度和更远的极限测量距离，波长调制光谱利用高频信号对激光进行调制，最终使用谐波进行检测，这样可以过滤掉低频噪声，极大提高***的信噪比；而主动激光外差光谱的输出功率正比于信号光与本振光功率，在反射信号光微弱时，通过高功率的本振光可将反射信号光功率放大几个数量级，极大提升了***的灵敏度。

所述步骤一中配置激光器的具体过程为：通过信号发生装置产生锯齿信号和正弦信号，将锯齿信号和正弦信号叠加后接入激光控制器，对激光器进行调谐和调制，激光控制器接受信号发生装置的信号后，直接控制激光器的输出波长。

设置锯齿信号为10Hz，并通过调节温度，使激光波长扫描覆盖目标气体谱线；设置正弦信号为3000Hz，使激光器的输出波长被高频调制。

所述步骤二中对激光器进行分光的具体方法为：当采用单激光器时，激光器通过光纤耦合器A分光，其中一部分作为信号光，另一部分作为本振光；

分光后信号光部分经由激光准直发射装置，指向目标气体方向发送发射信号光，发射信号光发射向目标气体，经气体吸收后，被反射面后向反射形成返回信号光；而本振光部分导入光延迟发生器，光延迟发生器对本振光进行延迟处理、调整信号相位后，将本振光导入光纤耦合器B中；

当采用双激光器时，包括激光器A和激光器B，其中激光器A发出的激光作为信号光，激光器B发出的激光作为本振光，激光器A发射的信号光经激光准直发射装置，指向目标气体方向发送发射信号光，用于获得目标气体的吸收谱线；发射信号光经气体吸收后，被反射面后向反射形成返回信号光；激光器B发射的本振光由光纤导入光纤耦合器。两种方式旨在通过不同方式调整信号相位，但最终达到的测量效果相同，使得该方法通用性更强。

发射信号光与返回信号光的光强关系符合Lambert-Beer定律：

其中ρ为反射面的反射率，I₁为发射信号光强；I₂为返回信号光强；P为压强(atm)；S(T)为谱线吸收强度(cm^-2·atm^-1)；

为气体吸收线型函数；L为激光经过气体长度(cm)；X为气体浓度。

所述返回信号光被激光接收聚焦装置接收，由于其与本振光的光程不同，到光纤达耦合器时的波长也不相同，会发生干涉现象，由于光电探测器的带宽有限，无法采集到和频部分，再通过中频滤波滤去直流部分，最终光电探测器只采集到差频部分，称为差拍信号或外差信号，差拍信号表示为：

其中G为光电增益系数，ω₀、ω₂为本振光与返回信号光的角频率，t为时间变量，ρ为反射面的反射率，P为压强(atm)；S(T)为谱线吸收强度(cm^-2·atm^-1)；

为气体吸收线型函数；L为激光经过气体长度(cm)；X为气体浓度。

当采用单激光器时，此时光延迟发生器未经调整，信号光与本振光的正弦调制相位不同，会使差拍频率过高，超出光电探测器带宽。所以需要连续调整光延迟发生器，将本振光延时，使其调制信号与返回信号光调制信号相位差接近为0，直至得到频率较稳定的差拍信号；

当采用双激光器时，在控制本振光的信号产生器中对正弦信号相位进行连续调节，使其接近返回信号光的相位，直至得到频率较稳定的差拍信号。

所述步骤五中计算机计算气体浓度数据的过程为：计算机根据目标气体谱线的中心波长，读取对应位置的一次谐波信号与二次谐波信号数值，并计算出此位置上二次谐波与一次谐波的比值，该比值与气体浓度存在以下换算关系：

其中，i为激光器的线性强度调制系数，由实际使用的激光器特性决定；R₂₁为目标气体谱线中心波长处二次谐波与一次谐波的比值；a为调制深度(cm^-1)；θ为相位角，等于2πft，其中f为调制频率；X为气体浓度。这样即可计算出气体浓度。

一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，

采用单激光器时的具体过程为：通过单信号发生装置产生锯齿信号和正弦信号，将锯齿信号和正弦信号叠加后接入单激光控制器，对单激光器进行调谐和调制，单激光控制器接受单信号发生装置的信号后，直接控制单激光器的输出波长；单激光器通过光纤耦合器A分光，其中一部分作为信号光，另一部分作为本振光；本振光部分导入光延迟发生器，光延迟发生器对本振光进行延迟处理、调整信号相位后，将本振光导入光纤耦合器B中；分光后的信号光部分经由激光准直发射装置，指向目标气体方向发送发射信号光，发射信号光经目标气体吸收后，被反射面后向反射形成返回信号光；返回信号光经激光接收聚焦装置聚焦后导入光纤耦合器B，光纤耦合器B将返回信号光和本振光合束，产生差拍信号，并接入光电探测器；光电探测器输出信号经带通滤波器过滤噪声，再通过肖特基二极管探测器进行包络检波输出包络线，导入到锁相放大器中进行谐波检测，输出一次谐波与二次谐波信号；使用信号采集卡对谐波信号进行采集，导入到计算机中，经计算得到气体浓度数据；

采用双激光器时的具体过程为：双激光器分别命名为激光器A和激光器B，通过信号发生装置B产生锯齿信号和正弦信号，将锯齿信号和正弦信号叠加后接入激光控制器B，对激光器B进行调谐和调制，激光控制器B接受信号发生装置B的信号后，直接控制激光器B的输出波长，激光器B发出的激光作为本振光，激光器B射的本振光由光纤导入光纤耦合器；通过信号发生装置A产生锯齿信号和正弦信号，将锯齿信号和正弦信号叠加后接入激光控制器A，对激光器A进行调谐和调制，激光控制器A接受信号发生装置A的信号后，直接控制激光器A的输出波长,激光器A发射的信号光经激光准直发射装置，指向目标气体方向发送发射信号光，用于获得目标气体的吸收谱线；发射信号光经气体吸收后，被反射面后向反射形成返回信号光；返回信号光经激光接收聚焦装置聚焦后导入光纤耦合器，光纤耦合器将返回信号光和本振光合束，产生差拍信号，并接入光电探测器；光电探测器输出信号经带通滤波器过滤噪声，再通过肖特基二极管探测器进行包络检波输出包络线，导入到锁相放大器中进行谐波检测，输出一次谐波与二次谐波信号；使用信号采集卡对谐波信号进行采集，导入到计算机中，经计算得到气体浓度数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：配置激光器，使激光波长扫过目标气体谱线；

步骤二：将激光器发射光分束为信号光和本振光，信号光经激光准直发射装置向目标气体发送发射信号光，本振光导入光纤耦合器；

步骤三：发射信号光被目标气体吸收并被障碍物或地形表面反射后形成回波返回信号光，返回信号光经激光接收聚焦装置聚焦后导入光纤耦合器，光纤耦合器将返回信号光和本振光合束，产生差拍信号，并接入光电探测器；

步骤四：光电探测器输出信号经带通滤波器过滤噪声，再通过肖特基二极管探测器进行包络检波输出包络线，导入到锁相放大器中进行谐波检测，输出一次谐波与二次谐波信号；

步骤五：使用信号采集卡采集谐波信号，并导入到计算机中，计算出气体浓度数据。

2.根据权利要求1所述的一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，其特征在于：所述步骤一中配置激光器的具体过程为：通过信号发生装置产生锯齿信号和正弦信号，将锯齿信号和正弦信号叠加后接入激光控制器，对激光器进行调谐和调制，激光控制器接受信号发生装置的信号后，直接控制激光器的输出波长。

3.根据权利要求1所述的一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，其特征在于：所述发射信号光与返回信号光的光强关系符合Lambert-Beer定律：

其中ρ为反射面的反射率，I₁为发射信号光强；I₂为返回信号光强；P为压强(atm)；S(T)为谱线吸收强度(cm^-2·atm^-1)；

为气体吸收线型函数；L为激光经过气体长度(cm)；X为气体浓度。

4.根据权利要求1所述的一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，其特征在于：所述步骤二中将激光器发射的光束分为信号光和本振光对的具体方法为：当采用单激光器时，激光器通过光纤耦合器分光，其中一部分作为信号光，另一部分作为本振光；当采用双激光器时，包括激光器A和激光器B，其中激光器A发出的激光作为信号光，激光器B发出的激光作为本振光。

5.根据权利要求1所述的一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，其特征在于：所述差拍信号的表示公式为：

其中G为光电增益系数，ω₀、ω₂为本振光与返回信号光的角频率，t为时间变量，ρ为反射面的反射率，P为压强(atm)；S(T)为谱线吸收强度(cm^-2·atm^-1)；

为气体吸收线型函数；L为激光经过气体长度(cm)；X为气体浓度。

6.根据权利要求1所述的一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法，其特征在于：所述步骤五中的计算过程为：计算机根据目标气体谱线的中心波长，读取对应位置的一次谐波信号与二次谐波信号数值，并计算出此位置上二次谐波与一次谐波的比值，该比值与气体浓度存在以下换算关系：

其中，i为激光器的线性强度调制系数，由实际使用的激光器特性决定；R₂₁为目标气体谱线中心波长处二次谐波与一次谐波的比值；a为调制深度(cm^-1)；θ为相位角，等于2πft，其中f为调制频率；X为气体浓度。

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