一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统及方法，该系统包括：激光输入模块：激光器产生的激光经过光纤隔离器后进入耦合器，将一束激光作为稳频器的输入光进入标准气体吸收气室；光强调制模块：将激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰中心频率的偏移量转化为光强调制信号后，通过光电探测器接收；反馈调节模块：通过鉴相器对检测信号与调制信号进行相位鉴别，将鉴相器的输出信号作为误差信号以调节激光器输出激光的中心频率。基于该方案可以无需低频扫描，有效避免波形畸变，抑制低频强度调制引起的不规则背景噪声，并提高低浓度气体检测的检测极限。

【技术实现步骤摘要】
一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统及方法
本专利技术涉及光声光谱
，尤其涉及一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统及方法。
技术介绍
目前，激光光声光谱气体检测系统的DFB激光器工作在波长调制方式，即其工作电流叠加高频正弦波，检测二次谐波光声信号可以获得很高的灵敏度。由于激光器受内部性质和外部环境影响存在波长漂移，而气体吸收带宽非常窄，需要对DFB激光器进行低频调制，即在其工作电流上叠加一个低频三角波，以保证波长扫描范围覆盖气体吸收谱线。然而，这种方法容易受到激光器强度调制而产生波形崎变和不规则背景噪声的影响，且低频扫描会限制气体检测带宽。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统及方法，以解决现有对激光器进行低频调制的气体检测方法易受激光器强度调制产生波形畸变和不规则背景噪声影响，且气体检测带宽带宽受限的问题。在本专利技术实施例的第一方面，提供了一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统，包括：激光输入模块：激光器产生的激光经过光纤隔离器后进入耦合器分为两束光，一束作为稳频系统的输出光，另一束作为稳频器的输入光进入标准气体吸收气室；光强调制模块：将激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰中心频率的偏移量转化为光强调制信号后，通过光电探测器接收所述光强调制信号；反馈调节模块：通过鉴相器对检测信号与调制信号进行相位鉴别，将鉴相器的输出信号作为误差信号反馈至直流电源以改变激光器输出激光的中心频率。在本专利技术实施例的第二方面，提供了一种基于稳频激光光声光谱的气体检测方法，包括：激光器产生的激光经过光纤隔离器后进入耦合器分为两束光，一束作为稳频系统的输出光，另一束作为稳频器的输入光进入标准气体吸收气室；将激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰中心频率的偏移量转化为光强调制信号后，通过光电探测器接收所述光强调制信号；通过鉴相器对检测信号与调制信号进行相位鉴别，将鉴相器的输出信号作为误差信号反馈至直流电源以改变激光器输出激光的中心频率。本专利技术实施例中，通过将气体吸收稳频技术引入激光光声光谱气体检测中，将DFB激光器的波长精确的锁定在检测气体的吸收谱线上，不需要低频扫描，可以缩小锁相放大器的输出带宽，提高检测信噪比，同时有效抑制了低频强度调制引起的不规则背景噪声，提高了系统的低浓度检测极限。进而解决了现有采用DFB激光器进行低频调制的气体检测方法易受激光器强度调制产生波形畸变和不规则背景噪声影响，且气体检测带宽带宽受限的问题。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，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介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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取其他附图。图1为本专利技术的一个实施例提供的一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统的结构示意图；图2为本专利技术的一个实施例提供的基于稳频激光光声光谱的气体检测系统的另一结构示意图；图3为本专利技术的一个实施例提供的一种基于稳频激光光声光谱的气体检测方法的流程示意图。具体实施方式为使得本专利技术的专利技术目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。本专利技术的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。请参阅图1，图1为本专利技术实施例提供的一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统的结构示意图，包括：激光输入模块110：激光器产生的激光经过光纤隔离器后进入耦合器分为两束光，一束作为稳频系统的输出光，另一束作为稳频器的输入光进入标准气体吸收气室；激光器产生的激光通过耦合器实现光信号分路，将一束光作为稳频器的输入。所述稳频器为根据输入激光对激光器频率进行主动调节的装置，一般由多个器件组成，在本实施例中包括如气室、光电探测器、鉴相器等。由于激光的频率或波长会随时间变化表现为短期抖动和长期漂移，通过激光稳频技术可以使激光频率自动调节至特定的标准频率，从而保障气体的吸收带宽可以锁定在吸收谱线。光强调制模块120：将激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰中心频率的偏移量转化为光强调制信号后，通过光电探测器接收所述光强调制信号；所述中心频率一般指信号频率的几何平均值，通常为带通滤波器的两个3dB点间的中点。基于激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰的中心频率的比较，确定频率偏移量。由激光原理可知，当入射激光的振荡频率与吸收线的频率相等时，激光的输出光强将按2f频率变化；由于外界的干扰，激光的输出频率偏离了吸收线时，激光的输出光强将按f频率变化。此时，若激光振荡频率大于吸收线中心频率，则光强与调制信号同相位；若激光振荡频率小于吸收线中心频率，则光强与调制信号反相位。所述光电探测器可将光信号转化为电信号，通过检测光强变化实现对待测的光强调制信号的测量。反馈调节模块130：通过鉴相器对检测信号与调制信号进行相位鉴别，将鉴相器的输出信号作为误差信号反馈至直流电源以改变激光器输出激光的中心频率。所述检测信号为光电探测器检测获取的光强调制信号，所述调制信号为激光器的调制信号。所述鉴相器用于鉴别输入信号相位差的器件，通过鉴相器鉴别光强探测器中获取的调制信号与激光器中调制信号的相位差，将相位差作为误差信号，并根据误差信号通过直流电源对激光器进行调节，以改变激光器的输出激光的中心频率，从而实现动态稳频。通常气体吸收线与激光增益曲线的中心频率不重合，吸收峰将叠加在倾斜的功率曲线背景上，会使吸收峰的顶点偏离吸收线中心频率导致复现性变差。优选的，所述反馈调节模块130的调制单元中，在饱和吸收稳频中采用三次谐波锁定技术来消除中心频率不重合的影响，三次谐波锁定技术用基频调制激光频率，使相敏检波在3倍频下工作，通过闭环控制得到了频率稳定的激光器。在图1的基础上，本专利技术另一实施例中，如图2所示提供了系统的另一结构示意图，包括激光器、正弦信号发生器、温控设备、光纤、隔离器、耦合器、气室、光电探测器、滤波器、鉴相器和直流电源等。激光器210的输出经过光纤隔离器，防止光纤端面的反射光进入激光器210。从隔离器输出的光进入藕合器220后分成两束光，一束作为稳频系统输出光，另一束作为稳频器输入光进入标准气体吸收气室。激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰中心频率的偏移量被转化为光强调制信号，由光电探测器230接收。经光电检测之后，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统，其特征在于，包括：/n激光输入模块：激光器产生的激光经过光纤隔离器后进入耦合器分为两束光，一束作为稳频系统的输出光，另一束作为稳频器的输入光进入标准气体吸收气室；/n光强调制模块：将激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰中心频率的偏移量转化为光强调制信号后，通过光电探测器接收所述光强调制信号；/n反馈调节模块：通过鉴相器对检测信号与调制信号进行相位鉴别，将鉴相器的输出信号作为误差信号反馈至直流电源以改变激光器输出激光的中心频率。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于稳频激光光声光谱的气体检测系统，其特征在于，包括：
激光输入模块：激光器产生的激光经过光纤隔离器后进入耦合器分为两束光，一束作为稳频系统的输出光，另一束作为稳频器的输入光进入标准气体吸收气室；
光强调制模块：将激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰中心频率的偏移量转化为光强调制信号后，通过光电探测器接收所述光强调制信号；
反馈调节模块：通过鉴相器对检测信号与调制信号进行相位鉴别，将鉴相器的输出信号作为误差信号反馈至直流电源以改变激光器输出激光的中心频率。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述将激光器输出激光的中心频率与气体吸收峰中心频率的偏移量转化为光强调制信号包括：
若入射激光的振荡频率大于吸收线中心频率，则光强与调制信号同相位；
若入射激光的振荡频率小于吸收线中心频率，则光强与调制信号反相位。


3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反馈调节模块还包括：
调制单元，用于采用三次谐波锁定技术调制激光频率，使相敏检波在三倍频下工作，以闭环控制得到频率稳定的激光器。


4.一种基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：马锋，蒋亚超，刘锡银，陈前臣，
申请(专利权)人：武汉豪迈光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42