CN113702302B - 一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置的检测方法，涉及气体检测技术领域。本发明包括脉冲激光源、光隔离器、光纤环形器、光电探测器、数据采集处理控制单元和高反射衰荡腔，脉冲激光源的输入端与数据采集处理控制单元的输出端电性连接，脉冲激光源的输出端通过传输光纤耦合至光隔离器的输入端。本发明通过控制脉冲激光器脉冲与数据采集时序，重复多次采集脉冲衰荡曲线数据，通过空间域数据插补提高数据分辨率，通过时间域数据累加提高衰荡曲线信噪比，通过数据分割积分重构提高衰荡曲线包络基准点数据的准确性，解决了现有的气体检测技术方案成本高，调试难度大，受环境干扰多等问题。
Description
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，特别是涉及一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置的检测方法。
背景技术
光腔衰荡光谱技术（Cavity Ring Down Spectroscopy，简称CRDS）是利用激光和气体分子之间发生相互的作用机理来进行气体探测的。脉冲激光作为光源，高反射率腔镜构成衰荡腔，激光脉冲在高反射衰荡腔内来回反射而形成衰荡光程。
根据Lambert-Beer定律，光脉冲经环形器还回的强度被确定为一个随时间变化的指数函数。其中，R为高反镜反射率（R>99.99%），c为光速，L为两面反射镜的距离，为衰荡腔待测气体的吸收系数。
衰荡时间是指光强从原有强度下降到所用的时间，因此可以得到衰荡时间的函数，同样，在高反射腔为空腔状态下的衰荡时间。
最终，可以计算出样品吸收系数：
由其技术原理可知，基于光腔衰荡光谱技术的气体检测结果仅与衰荡时间有关，而不依赖于激光脉冲强度，任何激光脉冲光源光强的漂移都不会在测量中引入误差，使得光腔衰荡光谱不需要用到外部标准进行校准或对照。因此，基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置能否精准采集衰荡曲线数据，并准确计算衰荡曲线包络基准点，再通过包络基准点进行指数拟合，进而计算衰荡时间，就显得非常重要。
当前基于光腔衰荡光谱技术的气体检测系统一般在高反射衰荡腔两侧分别放置光源和探测器，通过透镜组进行空间光耦合，借助高速采样和锁相技术进行信号解调系统，成本高，调试难度大，工程施工复杂，容易受到气体检测应用现场外界环境影响。
因此，现有的光腔衰荡光谱气体检测技术，无法满足实际使用中的需求，所以市面上迫切需要能改进的技术，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单有效的装置及方法，能够借助光腔衰荡光谱技术进行气体检测，结构简单，实用性强，维护性好，准确度高，能够明显降低环境干扰造成的测量不准确度，可显著提高光腔衰荡光谱技术在气体检测领域的工程化应用，解决了现有的气体检测技术方案成本高，调试难度大，受环境干扰多等问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置的检测方法，包括脉冲激光源、光隔离器、光纤环形器、光电探测器、数据采集处理控制单元和高反射衰荡腔，脉冲激光源的输入端与数据采集处理控制单元的输出端电性连接，脉冲激光源的输出端通过传输光纤耦合至光隔离器的输入端，光隔离器的输出端通过传输光纤耦合至光纤环形器的输入端，光纤环形器通过传输光纤与高反射衰荡腔双向耦合，光纤环形器的返回端通过传输光纤耦合至光电探测器的输入端，光电探测器的输出端与数据采集处理控制单元的输入端电性连接，检测方法包括如下步骤：
步骤一：设置采样数据插补次数为Nb，Nb≥2，取整，设置时间域数据累加次数为Na；
步骤二：数据采集处理控制单元发送触发信号，触发脉冲激光源发射激光脉冲；
步骤三：与步骤二同步，数据采集处理控制单元以采样频率F0，采样间隔tp＝1/F0，进行数据采集，采集数据总数为n个，直至数据采集完成，数据按采样先后依次标记为c1d1、c1d2，直至c1dn；
步骤四：执行步骤二；
步骤五：与步骤四同步，首先延迟tp/Nb，然后数据采集处理控制单元以采样频率F0进行数据采集，采样间隔tp＝1/F0，采集数据总数为n个，直至数据采集完成，数据按采样先后依次标记为c2d1、c2d2，直至c2dn；
步骤六：重复执行步骤四、步骤五，但每次步骤五延迟增加tp/Nb，数据按照以上步骤规则依次标记，直至cNbd1、cNbd2，直至cNbdn；
步骤七：对采集获得的Nb组长度为n的衰荡曲线数据，进行数据插补，得到插补后的衰荡曲线数据T1＝{(c1d1,c2d1…cNbd1),(c1d2,c2d2…cNbd2)……(c1dn,c2dn…cNbdn)}；
步骤八：重复操作步骤二至步骤七，依次获得插补后衰荡曲线数据T1,T2…TNa；
步骤九：将Na个长度为n·Nb的衰荡曲线数组内元素，按照元素位置，分别将相同位置的元素进行累加求和，得到长度为Nb的求和后数，将数组内每个元素分别除以Na，得到累加平均后的长度为n·Nb的衰荡曲线数组D；
步骤十：将数组D内元素按照顺序先后，划分为n个大小为Nb单元，将每个单元内的Nb个元素进行取均值，形成长度为n的新数组；
步骤十一：数组即为数据采集处理后的衰荡曲线数据，对数组进行指数拟合，求得衰荡时间τ，并根据衰荡时间τ和空腔状态下的衰荡时间τ0对待测气体进行吸收系数、浓度的计算。
进一步地，脉冲激光源用于接收数据采集处理控制单元的指令，按照一定时间间隔与延迟规则产生小脉宽窄线宽激光脉冲，并耦合至脉冲激光源与光隔离器之间的传输光纤中。
进一步地，光隔离器用于隔离由光纤环形器返回至脉冲激光源的光信号。
进一步地，光电探测器用于接收光纤环形器输入的光信号，并输出经过光电转换和信号处理的电信号。
进一步地，数据采集处理控制单元用于控制脉冲激光源按照一定时间序列发送激光脉冲，同步或间隔一定延迟后采集光电探测器回传的信号，按照本专利公布的方法对回传信号进行处理复原衰荡曲线，存储并计算衰荡时间和，最终根据需求计算待测气体吸收系数、浓度。
进一步地，高反射衰荡腔的衰荡腔体的长度设置为L，内部两端放置反射率为R的高反射镜片，并保证高反射镜片与光纤耦合接口准直，能够形成有效的激光脉冲衰荡光程，且高反射衰荡腔的表面两端分别设置有待测气体输入接口和待测气体输出接口。
进一步地，高反射衰荡腔内部设置多片高反射镜片，在同一平面内形成多角度反射，减小衰荡腔体积，并增加衰荡光程。
进一步地，高反射衰荡腔内部设置多片高反射镜片，在同一空间内形成多角度、多维度反射，增加衰荡光程覆盖空间范围。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过设置脉冲激光源、光隔离器、光纤环形器、光电探测器、数据采集处理控制单元和高反射衰荡腔，通过脉冲激光源发射小脉宽窄线宽激光脉冲，经过环形器进入高反射衰荡腔，多次穿过待测气体产生衰耗并通过传输光纤经环形器回传至光电探测器，经光电转换由数据采集处理控制单元进行处理，通过计算激光脉冲衰荡时间检测气体样品，结构简单，实用性强，且便于维护。
本发明通过设置解复用器和光开关，亦可实现对多混合气体的检测，脉冲激光源内部多个脉冲激光器同时发射不同波长激光频谱，通过复用器进行耦合后同时输出，探测器端采用解复用器进行解耦，实现多个不同波长激光脉冲同时在高反衰荡腔内产生衰荡光程，用于检测同时存在的多种气体，实现多通道、多气体的综合测试。
本发明的气体检测方法通过控制脉冲激光器脉冲与数据采集时序，重复多次采集脉冲衰荡曲线，通过采样数据插补提高采样分辨率，通过时间域数据累加提高采样信噪比，通过脉冲间数据分割积分提高采样数据准确性，使得该方法准确度高，能够明显降低环境干扰造成的测量不准确度，可显著提高光腔衰荡光谱技术在气体检测领域的工程化应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，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为本发明的实施例一单气体检测原理框图；
图2为本发明的实施例二多气体检测原理框图；
图3为本发明的衰荡曲线数据插补算法示意图；
图4为本发明的衰荡曲线数据累加算法示意图；
图5为本发明的衰荡曲线及过程曲线示意图；
图6为本发明的检测方法流程示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、脉冲激光源；2、光隔离器；3、光纤环形器；4、光电探测器；5、数据采集处理控制单元；6、高反射衰荡腔；7、解复用器；8、光开关；61、待测气体输入接口；62、待测气体输出接口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一 单气体检测
请参阅图1所示，本发明为一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置的检测方法，包括脉冲激光源1、光隔离器2、光纤环形器3、光电探测器4、数据采集处理控制单元5和高反射衰荡腔6，脉冲激光源1的输入端与数据采集处理控制单元5的输出端电性连接，脉冲激光源1的输出端通过传输光纤耦合至光隔离器2的输入端，脉冲激光源1用于接收数据采集处理控制单元5的指令，按照一定时间间隔与延迟规则产生小脉宽窄线宽激光脉冲，并耦合至脉冲激光源1与光隔离器2之间的传输光纤中。
光隔离器2的输出端通过传输光纤耦合至光纤环形器3的输入端，光隔离器2用于隔离由光纤环形器3返回至脉冲激光源1的光信号。
光纤环形器3通过传输光纤与高反射衰荡腔6双向耦合，高反射衰荡腔6的衰荡腔体的长度设置为L，内部两端放置反射率为R的高反射镜片，并保证高反射镜片与光纤耦合接口准直，能够形成有效的激光脉冲衰荡光程，且高反射衰荡腔6的表面两端分别设置有待测气体输入接口61和待测气体输出接口62。
其中，高反射衰荡腔6内部的高反射镜片布置方式亦可采用下述优化方案，优化方案一，高反射衰荡腔6内部设置多片高反射镜片，在同一平面内形成多角度反射，减小衰荡腔体积，并增加衰荡光程；优化方案二，高反射衰荡腔6内部设置多片高反射镜片，在同一空间内形成多角度、多维度反射，增加衰荡光程覆盖空间范围。
光纤环形器3的返回端通过传输光纤耦合至光电探测器4的输入端，光电探测器4的输出端与数据采集处理控制单元5的输入端电性连接，光电探测器4用于接收光纤环形器3输入的光信号，并输出经过光电转换和信号处理的电信号。
数据采集处理控制单元5用于控制脉冲激光源1按照一定时间序列发送激光脉冲，同步或间隔一定延迟后采集光电探测器4回传的信号，按照本专利公布的方法对回传信号进行处理复原衰荡曲线，存储并计算衰荡时间和，最终根据需求计算待测气体吸收系数、浓度。
实施例二 多气体检测
请参阅图2所示，本发明为一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置的检测方法，包括脉冲激光源1、光隔离器2、光纤环形器3、光电探测器4、数据采集处理控制单元5和高反射衰荡腔6，脉冲激光源1的输入端与数据采集处理控制单元5的输出端电性连接，脉冲激光源1的输出端通过传输光纤耦合至光隔离器2的输入端，脉冲激光源1用于接收数据采集处理控制单元5的指令，按照一定时间间隔与延迟规则产生小脉宽窄线宽激光脉冲，并耦合至脉冲激光源1与光隔离器2之间的传输光纤中，其中，脉冲激光源1内置多个脉冲激光器，如脉冲激光器A、脉冲激光器B、脉冲激光器C，多个脉冲激光器能够同时发射不同波长的激光脉冲，如波长A激光脉冲、波长B激光脉冲、波长C激光脉冲，不同波长激光脉冲对应不同待测气体系数频谱。
光隔离器2的输出端通过传输光纤耦合至光纤环形器3的输入端，光隔离器2用于隔离由光纤环形器3返回至脉冲激光源1的光信号。
光纤环形器3通过光开关8与多个高反射衰荡腔6进行光纤耦合，通过控制光开关8通断，实现分时测试多个高反射衰荡腔6内的待测气体，并与不同波长激光脉冲配合实现多通道、多气体的综合测试，高反射衰荡腔6的衰荡腔体的长度设置为L，内部两端放置反射率为R的高反射镜片，并保证高反射镜片与光纤耦合接口准直，能够形成有效的激光脉冲衰荡光程，且高反射衰荡腔6的表面两端分别设置有待测气体输入接口61和待测气体输出接口62。
其中，高反射衰荡腔6内部的高反射镜片布置方式亦可采用下述优化方案，优化方案一，高反射衰荡腔6内部设置多片高反射镜片，在同一平面内形成多角度反射，减小衰荡腔体积，并增加衰荡光程；优化方案二，高反射衰荡腔6内部设置多片高反射镜片，在同一空间内形成多角度、多维度反射，增加衰荡光程覆盖空间范围。
其中，光开关8与数据采集处理控制单元5电性连接，通过数据采集处理控制单元5控制光开关8的通断。
光纤环形器3的返回端通过传输光纤耦合至光电探测器4的输入端，光电探测器4的输出端与数据采集处理控制单元5的输入端电性连接，脉冲激光源1内部多个脉冲激光器同时发射不同波长激光频谱，通过复用器进行耦合后同时输出，光电探测器4端采用解复用器7进行解耦，并输入至探测器A、探测器B和探测器C中，实现多个不同波长激光脉冲同时在高反射衰荡腔6内产生衰荡光程，用于检测同时存在的多种气体。
数据采集处理控制单元5用于控制脉冲激光源1按照一定时间序列发送激光脉冲，同步或间隔一定延迟后采集光电探测器4回传的信号，按照本专利公布的方法对回传信号进行处理复原衰荡曲线，存储并计算衰荡时间和，最终根据需求计算待测气体吸收系数、浓度。
请参阅图3-6所示，本发明提供的检测方法，包括如下步骤：
步骤一：设置采样数据插补次数为Nb，Nb≥2，取整，设置时间域数据累加次数为Na；
步骤二：数据采集处理控制单元（5）发送触发信号，触发脉冲激光源（1）发射激光脉冲；
步骤三：与步骤二同步，数据采集处理控制单元（5）以采样频率F0，采样间隔tp＝1/F0，进行数据采集，采集数据总数为n个，直至数据采集完成，数据按采样先后依次标记为c1d1、c1d2，直至c1dn；
步骤四：执行步骤二；
步骤五：与步骤四同步，首先延迟tp/Nb，然后数据采集处理控制单元（5）以采样频率F0进行数据采集，采样间隔tp＝1/F0，采集数据总数为n个，直至数据采集完成，数据按采样先后依次标记为c2d1、c2d2，直至c2dn；
步骤六：重复执行步骤四、步骤五，但每次步骤五延迟增加tp/Nb，数据按照以上步骤规则依次标记，直至cNbd1、cNbd2，直至cNbdn；
步骤七：对采集获得的Nb组长度为n的衰荡曲线数据，进行数据插补，得到插补后的衰荡曲线数据T1＝{(c1d1,c2d1…cNbd1),(c1d2,c2d2…cNbd2)……(c1dn,c2dn…cNbdn)}；
步骤八：重复操作步骤二至步骤七，依次获得插补后衰荡曲线数据T1,T2…TNa；
步骤九：将Na个长度为n·Nb的衰荡曲线数组内元素，按照元素位置，分别将相同位置的元素进行累加求和，得到长度为Nb的求和后数，将数组内每个元素分别除以Na，得到累加平均后的长度为n·Nb的衰荡曲线数组D；
步骤十：将数组D内元素按照顺序先后，划分为n个大小为Nb单元，将每个单元内的Nb个元素进行取均值，形成长度为n的新数组；
步骤十一：数组即为数据采集处理后的衰荡曲线数据，对数组进行指数拟合，求得衰荡时间τ，并根据衰荡时间τ和空腔状态下的衰荡时间τ0对待测气体进行吸收系数、浓度的计算。
以上仅为本发明的优选实施例，并不限制本发明，任何对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，对其中部分技术特征进行等同替换，所作的任何修改、等同替换、改进，均属于在本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置的检测方法，包括脉冲激光源（1）、光隔离器（2）、光纤环形器（3）、光电探测器（4）、数据采集处理控制单元（5）和高反射衰荡腔（6），其特征在于：所述脉冲激光源（1）的输入端与数据采集处理控制单元（5）的输出端电性连接，所述脉冲激光源（1）的输出端通过传输光纤耦合至光隔离器（2）的输入端，所述光隔离器（2）的输出端通过传输光纤耦合至光纤环形器（3）的输入端，所述光纤环形器（3）通过传输光纤与高反射衰荡腔（6）双向耦合，所述光纤环形器（3）的返回端通过传输光纤耦合至光电探测器（4）的输入端，所述光电探测器（4）的输出端与数据采集处理控制单元（5）的输入端电性连接，所述检测方法包括如下步骤：
步骤一：设置采样数据插补次数为Nb，Nb≥2，取整，设置时间域数据累加次数为Na；
步骤二：数据采集处理控制单元（5）发送触发信号，触发脉冲激光源（1）发射激光脉冲；
步骤三：与步骤二同步，数据采集处理控制单元（5）以采样频率F0，采样间隔tp＝1/F0，进行数据采集，采集数据总数为n个，直至数据采集完成，数据按采样先后依次标记为c1d1、c1d2，直至c1dn；
步骤四：执行步骤二；
步骤五：与步骤四同步，首先延迟tp/Nb，然后数据采集处理控制单元（5）以采样频率F0进行数据采集，采样间隔tp＝1/F0，采集数据总数为n个，直至数据采集完成，数据按采样先后依次标记为c2d1、c2d2，直至c2dn；
步骤六：重复执行步骤四、步骤五，但每次步骤五延迟增加tp/Nb，数据按照以上步骤规则依次标记，直至cNbd1、cNbd2，直至cNbdn；
步骤七：对采集获得的Nb组长度为n的衰荡曲线数据，进行数据插补，得到插补后的衰荡曲线数据T1＝{(c1d1,c2d1…cNbd1),(c1d2,c2d2…cNbd2)……(c1dn,c2dn…cNbdn)}；
步骤八：重复操作步骤二至步骤七，依次获得插补后衰荡曲线数据T1,T2…TNa；
步骤九：将Na个长度为n·Nb的衰荡曲线数组内元素，按照元素位置，分别将相同位置的元素进行累加求和，得到长度为Nb的求和后数，将数组内每个元素分别除以Na，得到累加平均后的长度为n·Nb的衰荡曲线数组D；
步骤十：将数组D内元素按照顺序先后，划分为n个大小为Nb单元，将每个单元内的Nb个元素进行取均值，形成长度为n的新数组；
步骤十一：数组即为数据采集处理后的衰荡曲线数据，对数组进行指数拟合，求得衰荡时间τ，并根据衰荡时间τ和空腔状态下的衰荡时间τ0对待测气体进行吸收系数、浓度的计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置的检测方法，其特征在于，所述脉冲激光源（1）用于接收数据采集处理控制单元（5）的指令，按照一定时间间隔与延迟规则产生小脉宽窄线宽激光脉冲，并耦合至脉冲激光源（1）与光隔离器（2）之间的传输光纤中。
3.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置的检测方法，其特征在于，所述光隔离器（2）用于隔离由光纤环形器（3）返回至脉冲激光源（1）的光信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置的检测方法，其特征在于，所述光电探测器（4）用于接收光纤环形器（3）输入的光信号，并输出经过光电转换和信号处理的电信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置的检测方法，其特征在于，所述数据采集处理控制单元（5）用于控制脉冲激光源（1）按照一定时间序列发送激光脉冲，同步或间隔一定延迟后采集光电探测器（4）回传的信号，按照上述方法对回传信号进行处理复原衰荡曲线，存储并计算衰荡时间τ0和τ，最终根据需求计算待测气体吸收系数、浓度。
6.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置的检测方法，其特征在于，所述高反射衰荡腔（6）的衰荡腔体的长度设置为L，内部两端放置反射率为R的高反射镜片，并保证高反射镜片与光纤耦合接口准直，能够形成有效的激光脉冲衰荡光程，且所述高反射衰荡腔（6）的表面两端分别设置有待测气体输入接口（61）和待测气体输出接口（62）。
7.根据权利要求6所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置的检测方法，其特征在于，所述高反射衰荡腔（6）内部设置多片高反射镜片，在同一平面内形成多角度反射，减小衰荡腔体积，并增加衰荡光程。
8.根据权利要求6所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置的检测方法，其特征在于，所述高反射衰荡腔（6）内部设置多片高反射镜片，在同一空间内形成多角度、多维度反射，增加衰荡光程覆盖空间范围。
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