CN111208084A - 一种基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置和方法 - Google Patents
一种基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于激光技术应用领域，提供了一种基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置和方法。可调谐激光器发出的调频激光束经过第一光纤耦合器将光束分成两路，一路是信号光，一路是本振光。信号光打在目标墙面上，用于检测待测气体。经过墙面散射的信号光依次经过多个成像透镜、光纤准直器被第二光纤耦合器接收，该信号光与接入第二光纤耦合器另一端的本振光发生拍频相干。拍频相干信号通过光电探测器接收，最后被数据采集卡采集，计算机模块用于反演待测气体浓度。本发明适用于微弱光信号的探测，具有较高的灵敏度和信噪比，可实现吸收距离和吸收信号强度的同时探测。
Description
技术领域
本发明属于激光光谱技术应用领域，具体涉及一种基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置和方法。
背景技术
大气环境与人类生存密切相关，大气环境的每一个因素几乎都影响到人类的生存和发展。大气污染不仅对人体健康形成巨大威胁，也会影响全球气候变化并对生态系统、工农业生产造成严重危害，利用先进的光学遥感探测技术开展大气污染气体浓度测量对大气环境监测与治理具有重大的意义。传统的气体浓度遥感探测技术主要有差分吸收光谱(DOAS)技术、差分吸收激光雷达(DIAL)技术、硬目标可调谐二极管激光器吸收光谱技术(TDLAS)等。
DOAS技术是利用吸收线上和线外的气体吸收光谱差异而进行探测的方法(先技术[1]：ScanteWallin,“DOAS方法在连续排放污染源及过程气体在线监测中的实现”，环境工程技术学报，2011)。通过待测气体在对应波段上的差分吸收特性，并根据比尔朗博定理进行反演，即可得到待测气体的浓度信息。利用DOAS方法可测量激光光束路径上多种气体分子浓度，同时不会影响被测气体的化学特性，响应快，无需预处理。利用DOAS技术开展气体浓度遥感探测时，发射光束一般光谱较宽(如氙灯等)，并需要在远端放置反射镜，从而将光信号反射回系统进行光电探测(一般使用光谱仪)，最终可测量激光路径上气体平均浓度。在实际应用时，这种方法只适宜于固定场景(或路径)的气体浓度遥感探测，难以实现移动式户外遥感探测。
差分吸收激光雷达(DIAL)技术(先技术[2]:Liang Mei,et al.,“Differentialabsorption lidar system employed for background atomic mercury verticalprofiling in South China”,Optics and Lasers in Engineering,2014)是一种主动式光学遥感探测技术，具备空间分辨率高、探测灵敏度高、测量范围大等特点。DIAL技术的基本原理是向大气中交替发射波长不同的激光脉冲(一个波长位于待测气体吸收峰，另一个波长偏离待测气体吸收峰)，同时利用高灵敏度探测器(如光电倍增管等)探测两个波长的大气后向散射信号，并根据待测气体对两个波长大气回波信号吸收强度的不同(比值)来求解不同距离上待测气体浓度。然而，为了实现不同距离上气体浓度的遥感探测，DIAL技术需要使用纳秒量级、可调谐、高能量脉冲的激光光源，因而导致系统极其复杂，测量时需要经常性维护，不能长时间连续、稳定测量，极大地限制了该技术的实际应用。
硬目标可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)(先技术[3]：Jeremy T.Dobler,et al.,“Demonstration of spatial greenhouse gas mapping using laserabsorption sepectrometers on local scales”,Journal of Applied Remote Sensing,2017)以窄线宽半导体激光器技术和比尔朗伯定律为基础。在控制温度和改变驱动电流的条件下，调谐激光器输出激光的波长，使激光波长在气体吸收谱线附近进行扫描，然后通过测量激光被气体吸收的光信号强度来完成对气体浓度的检测。利用TDLAS技术开展气体浓度遥感探测时，一般将窄线宽(10MHz)激光光束进行波长(或频率调谐)后发射到远距离硬目标上，如建筑物等。发射光信号将被待测气体吸收，并被硬目标反射回探测系统，由光电探测器进行直接探测，最终根据吸收信号的强度以及吸收程，可以获得激光路径上待测气体的平均浓度。硬目标与系统之间的距离一般可通过激光测距仪测量获得。这种硬目标TDLAS技术相对简单，实现起来较为容易，稳定性好。然而，由于所使用的窄线宽半导体激光器一般功率较小，当将激光光束发射到硬目标进行遥感探测时，探测器接收到的散射光信号十分微弱，导致系统仅限于夜间短距离遥感探测。在白天背景光很强的条件下，系统受背景光噪声干扰严重，探测灵敏度较低，难以实现大气气体浓度遥感探测。
综上所述，如何实现在户外测量方便、成本低、稳定性好、灵敏度度高的气体浓度遥感探测技术是大气环境监测领域的重要课题之一。
发明内容
本发明提供一种基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测技术，有效克服传统气体浓度遥感探测技术系统复杂、稳定性差、灵敏度不高、移动性差等应用瓶颈问题。
本发明的技术方案：
一种基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置，包括信号发生器1、DFB激光器2、第一光纤法兰盘3、第一光纤耦合器4、第一成像透镜5、第二成像透镜7、光阑8、第三成像透镜9、光纤准直器10、第二光纤耦合器11、第二光纤法兰盘12、光电探测器13、数据采集卡14和计算机15；
所述的信号发生器1产生的锯齿信号加载在DFB激光器2上，对DFB激光器2进行频率或波长调制；DFB激光器2产生的激光光束经过第一光纤法兰盘3进入第一光纤耦合器4，并被分成两路光，一路光经过第一成像透镜5准直后发射到硬目标6上，该路光束被称为信号光，另一路光作为本振光；所述的信号光被硬目标6散射，所得的散射光信号依次经过第二成像透镜7、光阑8和第三成像透镜9后变成平行光；所述的光阑8位于第二成像透镜7的后焦距处；所述的光阑8和第三成像透镜9之间的距离是第三成像透镜9的前焦距；准直之后的平行光经过光纤准直器10接入第二光纤耦合器11的一个输入端口；所述的本振光经过第二光纤法兰盘12接入到第二光纤耦合器11的另一个输入端口；所述的平行光和本振光在第二光纤耦合器11中发生干涉，产生的相干光由第二光纤耦合器11的输出端输出到光电探测器13；所述的光电探测器13检测拍频信号，其输出端和数据采集卡14的信号采集输入端相连接；数据采集卡14采集到的信号传输给计算机15进行分析处理，最终获得测量路径上的气体浓度。
所述的DFB激光器2包括DFB激光器芯片、电流驱动和温控装置，DFB激光器芯片的工作波长位于待测气体吸收峰附近，线宽优于10MHz。
所述的DFB激光器2发出的激光为线性调频激光光束。
所述的第一光纤耦合器4的分光比为95:5，其中输出信号光那一端为通95％的光，输出本振光那一端为通5％的光。
所述的第二光纤耦合器11的分光比为50:50。
所述的第一成像透镜5焦距为15mm，口径为12.7mm；
所述的第二成像透镜7焦距为175mm，口径为50mm；
所述的第三成像透镜9焦距为15mm，口径为12.7mm。
本发明的有益效果：
本发明基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置和方法，采用频率调谐的窄线宽半导体激光器作为光源，并分成本振光和信号光。信号光发射到硬目标，经硬目标散射后由透镜收集。利用光电探测器进行相干探测，所产生的拍频信号一方面可以实现硬目标的距离探测，另一方面可以实现待测气体浓度吸收信号的检测。根据吸收信号强度和吸收距离，可以获得测量路径上待测气体的平均浓度。主要有如下好处：
(1)通过相干探测方式，不仅可以有效抑制背景光，还可利用强度较大的本振光实现对信号光的光学放大，从而大大提高信噪比和探测灵敏度。
(2)拍频的频率与吸收程直接相关，可以直接计算获得吸收程，因而不需要借助其他技术手段来测量吸收程，方便户外移动式测量。
附图说明
图1是基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测系统的装置示意图。
图中：1信号发生器；2DFB激光器；3第一光纤法兰盘；4第一光纤耦合器；5第一成像透镜；6硬目标；7第二成像透镜；8光阑；9第三成像透镜；10光纤准直器；11第二光纤耦合器；12第二光纤法兰盘；13光电探测器；14数据采集卡；15计算机。
图2是激光输出频率图。
图3是拍频信号图。
图4是拍频信号频谱图。
图5是吸收信号图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方案。
本发明所述的一种基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测方法，该方法具体为：
A、信号发生器1产生锯齿波，传输到DFB激光器2的驱动，使DFB激光器2发出调频激光束，同时数据采集卡14接收到触发信号，准备开始数据采集。激光器的调频周期为T(s)，调频范围为Δv(m)。
B、调频激光束经过第一光纤法兰盘3，进入第一光纤耦合器4按照95：5比例被分成了两路光，占比95％的是信号光，占比5％的是本振光。
C、信号光经过第一成像透镜5的准直后出射，在经过目标气体之后打在硬目标6上。硬目标6将信号光散射后，依次被第二成像透镜7、孔径光阑8、第三成像透镜9接收，在经过光纤准直器10准直之后进入第二光纤耦合器11中。
D、本振光经过第二光纤法兰盘12进入第二光纤耦合器11中。信号光和本振光在第二光纤耦合器11相干。
E、由第二光纤耦合器11输出的信号被光电探测器13接收。
F、光电探测器13将接收到的拍频信号传输给数据采集卡14采集。
G、计算机15将数据采集卡14采集到的拍频信号进行傅里叶变换。在频域信号上，可以获得拍频信号频率的大小fb。在光速已知c的情况下，根据如下公式，可以计算出待测气体的吸收程L：
H、对频域信号进行加窗处理，仅保留拍频信号附近的频谱。对该信号做傅里叶逆变换，即可获得待测气体的吸收信号Sabs。假定已知气体浓度为Cref，吸收程为Lref条件下的气体吸收信号强度为Sref(一般可通过浓度和吸收程已知的校准实验获得)。在激光测量路径上气体的平均浓度可表示为：
I、将该系统对准任意硬目标6，发射激光光束，探测散射光信号强度，根据以上方法，可以获取待测路径上的气体平均浓度，从而实现移动式(或任意路径)的气体浓度测量。
以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置，其特征在于，该基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置包括信号发生器(1)、DFB激光器(2)、第一光纤法兰盘(3)、第一光纤耦合器(4)、第一成像透镜(5)、第二成像透镜(7)、光阑(8)、第三成像透镜(9)、光纤准直器(10)、第二光纤耦合器(11)、第二光纤法兰盘(12)、光电探测器(13)、数据采集卡(14)和计算机(15)；
所述的信号发生器(1)产生的锯齿信号加载在DFB激光器(2)上，对DFB激光器(2)进行频率或波长调制，控制DFB激光器(2)的驱动和温控，使激光光束的波长在线性输出的范围内只存在一个气体吸收峰；从DFB激光器(2)出来的激光光束经过第一光纤法兰盘(3)进入第一光纤耦合器(4)被分成两路光，一路光经过第一成像透镜(5)的准直，发射到硬目标(6)上，作为信号光，另一路光作为本振光；所述的信号光被硬目标(6)散射，所得的散射光信号依次经过第二成像透镜(7)、光阑(8)和第三成像透镜(9)后变成平行光；所述的光阑(8)位于第二成像透镜(7)的后焦距处；所述的光阑(8)和第三成像透镜(9)之间的距离是第三成像透镜(9)的前焦距；准直之后的平行光经过光纤准直器(10)接入第二光纤耦合器(11)的一个输入端口；所述的本振光经过第二光纤法兰盘(12)接入到第二光纤耦合器(11)的另一个输入端口；所述的平行光和本振光在第二光纤耦合器(11)中发生干涉，产生的相干光由第二光纤耦合器(11)的输出端输出到光电探测器(13)；所述的光电探测器(13)检测拍频信号，其输出端和数据采集卡(14)的信号采集输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置，其特征在于，所述的DFB激光器(2)发出的激光为调频激光光束，包括DFB激光器芯片、电流驱动和温控装置，DFB激光器芯片的工作波长位于待测气体吸收峰附近，线宽优于10MHz。
3.根据权利要求1或2所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置，其特征在于，所述的第一光纤耦合器(4)的分光比为95:5，其中输出信号光那一端为通95％的光，输出本振光那一端为通5％的光。
4.根据权利要求1或2所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置，其特征在于，所述的第二光纤耦合器(11)的分光比为50:50。
5.根据权利要求3所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置，其特征在于，所述的第二光纤耦合器(11)的分光比为50:50。
6.根据权利要求1、2或5所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置，其特征在于，
所述的第一成像透镜(5)焦距为15mm，口径为12.7mm；
所述的第二成像透镜(7)焦距为175mm，口径为50mm；
所述的第三成像透镜(9)焦距为15mm，口径为12.7mm。
7.根据权利要求3所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置，其特征在于，
所述的第一成像透镜(5)焦距为15mm，口径为12.7mm；
所述的第二成像透镜(7)焦距为175mm，口径为50mm；
所述的第三成像透镜(9)焦距为15mm，口径为12.7mm。
8.根据权利要求4所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置，其特征在于，
所述的第一成像透镜(5)焦距为15mm，口径为12.7mm；
所述的第二成像透镜(7)焦距为175mm，口径为50mm；
所述的第三成像透镜(9)焦距为15mm，口径为12.7mm。
9.一种基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测方法，其特征在于，步骤如下：
A、信号发生器(1)产生锯齿波，传输到DFB激光器(2)的驱动，使DFB激光器(2)发出调频激光束，同时数据采集卡(14)接收到触发信号，准备开始数据采集；DFB激光器(2)的调频周期为T，调频范围为Δv；
B、调频激光束经过第一光纤法兰盘(3)，进入第一光纤耦合器(4)按照95：5比例被分成两路光，占比95％的是信号光，占比5％的是本振光；
C、信号光经过第一成像透镜(5)的准直后出射，在经过目标气体之后打在硬目标(6)上；硬目标(6)将信号光散射后，被第二成像透镜(7)、孔径光阑(8)、第三成像透镜(9)接收，在经过光纤准直器(10)准直之后进入第二光纤耦合器(11)中；
D、本振光经过第二光纤法兰盘(12)进入第二光纤耦合器(11)中；信号光和本振光在第二光纤耦合器(11)相干；
E、由第二光纤耦合器(11)输出的信号被光电探测器(12)接收；
F、光电探测器(12)将接收到的拍频信号传输给数据采集卡(14)采集；
G、计算机(15)将数据采集卡(14)采集到的拍频信号进行傅里叶变换；在频域信号上，获得拍频信号频率的大小fb；在光速已知c的情况下，根据如下公式，计算出待测气体的吸收程L：
H、对频域信号进行加窗处理，仅保留拍频信号附近的频谱；对该信号做傅里叶逆变换，即获得待测气体的吸收信号Sabs；假定已知气体浓度为Cref，吸收程为Lref条件下的气体吸收信号强度为Sref；在激光测量路径上气体的平均浓度表示为：
I、将该系统对准任意硬目标(6)，发射激光光束，探测散射光信号强度，根据以上方法，获取待测路径上的气体平均浓度，从而实现移动式(或任意位置)的气体浓度测量。
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