【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学探测，具体涉及一种用于tdlas系统的抛物面镜多通池设计方法。
技术介绍
1、可调谐半导体激光吸收光谱(tdlas)技术是一种响应速度快、灵敏度高和分辨率高的气体浓度无损检测技术，通过采用窄带宽和波长可调的激光实现对气体分子的选择性吸收进行测量，能精准地获取被测气体的浓度、温度和压强等参数。多通池是tdlas系统中的重要组成部分，尤其对于痕量气体的弱吸收进行检测时，需要气体吸收池来提供光在室内传播的光程，以提高探测灵敏度。
2、怀特和赫里奥特开发的早期基于球面镜的多通池，由于其具有简单性、可靠性和可操作性，在基于激光的光谱痕量气体传感器中仍在使用。但怀特和赫里奥特多通池在镜面无法产生密集光斑图案，且体积较大，限制了其使用。
3、2017年，s.ozharar等人把一个焦距与离轴距离成反比的镜面引入到多通池中，应用傍轴近似理论，给出了光线追迹的数值表达式，在镜面仿真得到了多种光斑图。但是，针对非近轴光线，随着反射镜面弯曲度和反射次数的增加，傍轴近似理论得到的光线的角度和光程长度与实际光线的角度和光程长度的偏差也随着增加。然而，傍轴近似理论中不会考虑这些误差，这些误差将被累积和放大，以至于无法计算实际光线轨迹，实际光斑图案与傍轴近似理论得到的光斑图案偏差较大。
4、针对现有基于傍轴近似理论的方法存在的问题，公开号为cn114065321a的中国专利公开了《一种具有密集光斑图案的球面镜多通池设计方法》，包括：确定光束的初始入射点坐标和入射方向向量；通过反射光线方程算法，得到每次通过
5、然而，申请人发现上述通过球面镜组成的多通池的现有方案还存在以下问题：1)现有方案没有给出计算多通池光程长度和体积的方法，无法对设计的多通池的灵敏度和结构紧凑性进行评估，且无法得到灵敏高且结构紧凑的多通池，导致多通池的性能不足。2)现有方案得到光斑图案后，无法根据实际需要调整光斑图像的光斑密度和图案大小，即无法有效调整多通池的性能，导致多通池的应用场景单一。因此如何提供一种能够提高多通池应用场景和性能的多通池设计方法是亟需解决的技术问题。
技术实现思路
1、针对上述现有技术的不足，本专利技术所要解决的技术问题是：如何提供一种用于tdlas系统的抛物面镜多通池设计方法，通过调整抛物面镜和入射光线的相关参数来调整多通池的光程长度和体积，得到灵敏度高且结构紧凑的多通池，提高多通池的性能；同时给出调节光斑图案的光斑密度和图案大小的方法，使多通池适应不同的测量需求和气体样本特性，从而提高多通池的通用性和灵活性。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：
3、一种用于tdlas系统的抛物面镜多通池设计方法，所述多通池由两个相同且同轴相对的抛物面镜组成，所述设计方法包括以下步骤：
4、s1：确定抛物面镜的参数p、两镜面中心距离l以及射入多通池的入射光线的位置(x1,y1,z1)和方向余弦(sx1,sy1,sz1)；
5、s2：通过两个抛物面镜之间的光线追迹方法，计算入射光线每次通过多通池镜面的反射光线参数；反射光线参数包括入射光线与抛物面镜的交点三维坐标和反射光线的方向余弦；
6、s3：将光线与两个抛物面镜的所有交点的光斑投影到x-y平面上生成光斑图案；
7、s4：改变抛物面镜的参数p、两镜面中心距离l、入射光线的位置和方向余弦以及光线的反射次数n，重复步骤s2和步骤s3，直至生成所需要的光斑图案；
8、s5：生成所需要的光斑图案后，保持入射光线的方向余弦和反射次数不变，通过调节抛物面镜的参数、两镜面中心距离l以及入射光线的位置来调节光斑图案的光斑密度和图案大小，得到最终的多通池。
9、优选的，步骤s1中，在笛卡尔坐标系中，多通池由两个相同且同轴相对的抛物面镜m1和m2构成，两镜面中心o1和o2间的距离为l；
10、两个抛物面镜的公式f1(x,y,z)和f2(x,y,z)表示为：
11、m1:f1(x,y,z)＝x2+y2-2pz＝0；
12、m2:f2(x,y,z)＝x2+y2+2p(z-l)＝0；
13、式中：m1、m2表示两个抛物面镜。
14、优选的，步骤s2中，入射光线从抛物面镜m1中射入，入射光线的位置和方向余弦分别为(x1,y1,z1)和(sx1,sy1,sz1)；入射光线在多通池中传输和反射，第n次入射光线的位置和方向余弦分别为(xn,yn,zn)和(sxn,syn,szn)；
15、第n次入射光线的公式表示为：
16、x＝xn+sxn·d；
17、y＝yn+syn·d；
18、z＝zn+szn·d；
19、式中：d表示入射光线的长度。
20、优选的，步骤s2中，第n次入射光线的反射镜面的公式表示为：
21、
22、优选的，步骤s2中，通过如下公式计算第n次入射光线的光程长度dn：
23、
24、其中：
25、an＝sxn2+syn2；
26、bn＝xn·sxn+yn·syn+(-1)n+1p·szn；
27、
28、优选的，步骤s2中，在计算得到入射光线的长度后，进一步计算得到第n次入射光线与抛物面镜的交点三维坐标(xn+1,yn+1,zn+1)，计算公式表示为：
29、xn+1＝xn+sxn·dn；
30、yn+1＝yn+syn·dn；
31、zn+1＝zn+szn·dn。
32、优选的，步骤s2中，根据矢量反射定理：
33、
34、式中：和分别表示抛物面镜的入射光线和反射光线的方向余弦矢量；表示反射镜面的法向矢量，公式表示为：
35、
36、优选的，步骤s2中，计算得到反射光线的方向余弦矢量
37、优选的，步骤s4中，调整抛物面镜的参数p、两镜面中心距离l、入射光线的位置和方向余弦以及光线的反射次数，根据光线自在现条件进行光线追迹，生成所需的光斑图案。
38、优选的，步骤s5中，生成所需要的光斑图案后，保持最初入射到抛物面镜m1上的入射光线的方向余弦(sx1,sy1,sz1)和反射次数n不变；将抛物面镜的参数p、两镜面中心距离l、最初入射到抛物面镜m1上的入射光线的位置(x1,y1,z1)分别乘以预期的增益因子，以调节光斑图案的大小和光斑密度。
3本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于TDLAS系统的抛物面镜多通池设计方法，其特征在于，所述多通池由两个相同且同轴相对的抛物面镜组成，所述设计方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的用于TDLAS系统的抛物面镜多通池设计方法，其特征在于：步骤S1中，在笛卡尔坐标系中，多通池由两个相同且同轴相对的抛物面镜M1和M2构成，两镜面中心O1和O2间的距离为L；
3.如权利要求2所述的用于TDLAS系统的抛物面镜多通池设计方法，其特征在于：步骤S2中，入射光线从抛物面镜M1中射入，入射光线的位置和方向余弦分别为(x1,y1,z1)和(sx1,sy1,sz1)；入射光线在多通池中传输和反射，第n次入射光线的位置和方向余弦分别为(xn,yn,zn)和(sxn,syn,szn)；
4.如权利要求3所述的用于TDLAS系统的抛物面镜多通池设计方法，其特征在于：步骤S2中，第n次入射光线的反射镜面的公式表示为：
5.如权利要求4所述的用于TDLAS系统的抛物面镜多通池设计方法，其特征在于：步骤S2中，通过如下公式计算第n次入射光线的光程长度dn：
6.如权利要求
7.如权利要求6所述的用于TDLAS系统的抛物面镜多通池设计方法，其特征在于：步骤S2中，根据矢量反射定理：
8.如权利要求7所述的用于TDLAS系统的抛物面镜多通池设计方法，其特征在于：步骤S2中，计算得到反射光线的方向余弦矢量
9.如权利要求1所述的用于TDLAS系统的抛物面镜多通池设计方法，其特征在于：步骤S4中，调整抛物面镜的参数p、两镜面中心距离L、入射光线的位置和方向余弦以及光线的反射次数，根据光线自在现条件进行光线追迹，生成所需的光斑图案。
10.如权利要求1所述的用于TDLAS系统的抛物面镜多通池设计方法，其特征在于：步骤S5中，生成所需要的光斑图案后，保持最初入射到抛物面镜M1上的入射光线的方向余弦(sx1,sy1,sz1)和反射次数n不变；将抛物面镜的参数p、两镜面中心距离L、最初入射到抛物面镜M1上的入射光线的位置(x1,y1,z1)分别乘以预期的增益因子，以调节光斑图案的大小和光斑密度。
...【技术特征摘要】
1.一种用于tdlas系统的抛物面镜多通池设计方法，其特征在于，所述多通池由两个相同且同轴相对的抛物面镜组成，所述设计方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的用于tdlas系统的抛物面镜多通池设计方法，其特征在于：步骤s1中，在笛卡尔坐标系中，多通池由两个相同且同轴相对的抛物面镜m1和m2构成，两镜面中心o1和o2间的距离为l；
3.如权利要求2所述的用于tdlas系统的抛物面镜多通池设计方法，其特征在于：步骤s2中，入射光线从抛物面镜m1中射入，入射光线的位置和方向余弦分别为(x1,y1,z1)和(sx1,sy1,sz1)；入射光线在多通池中传输和反射，第n次入射光线的位置和方向余弦分别为(xn,yn,zn)和(sxn,syn,szn)；
4.如权利要求3所述的用于tdlas系统的抛物面镜多通池设计方法，其特征在于：步骤s2中，第n次入射光线的反射镜面的公式表示为：
5.如权利要求4所述的用于tdlas系统的抛物面镜多通池设计方法，其特征在于：步骤s2中，通过如下公式计算第n次入射光线的光程长度dn：
6.如权利要求5所述的用于tdlas系统的抛物面镜多通池...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。