[发明专利]一种提高腔体衰荡时间测量精度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及痕量气体探测皮秒时间间隔测量领域，特别涉及一种提高腔体衰荡时间测量精度的方法。

背景技术

腔体衰荡光谱技术(CRDS，，Cavity Ring-down Spectrum)是一种近二十年发展起来的痕量气体探测技术，其核心技术是由超高反射率反射镜组成的谐振腔，窄线宽激光器及波长锁定技术和精密时间间隔测量技术。在测量痕量气体、微量元素的同位素含量方面有非常多的优势，比如测量数据与激光器功率波动无关、不需要标准样品气体、测量精度极高、能完成实时测量、长时间无需校准、野外无人值守测量等。

由于腔体衰荡光谱技术测量精度高，对镜面反射率和时间测量精度要求也非常高。如附表一所示，在腔长41cm，镜面反射率为0.9999，线型函数为5.13及室温常压下，要分辨30ppbv的甲烷气体含量时，时间测量精度为4.5ns；而当气体浓度分辨率为1ppbv时，时间测量精度为0.15ns。在腔内镜面反射率不能提高的前提下，时间测量精度从4.5ns提高到0.15ns，这对时间测量系统提出了极高的要求。本发明正是针对这一情况，从衰荡时间起点的精确定位和衰荡时间间隔的精确测量两个方面来提高时间测量的精度。

发明内容

本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种提高腔体衰荡时间测量精度的方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种提高腔体衰荡时间测量精度的方法，包括以下步骤：

步骤一、开启激光器，并通过波长反馈调节系统将波长锁定到待测气体的特征吸收谱线范围内；

步骤二、调整谐振腔长度，并监测探测器输出信号幅度；

步骤三、重复步骤二，直到探测器输出信号幅度达到设定的上阈值，停止调整腔长，并关闭激光器；

步骤四、谐振腔不再有能量输入，进入自由衰荡阶段，能量逐渐衰减，当探测器输出信号幅度再次为设定上阈值时，计时开始；

步骤五、自由衰荡继续进行，能量进一步衰减，当探测器输出信号幅度达到设定下阈值时，计时终止，认为衰荡结束；

步骤六、计算空腔自由衰荡时间常数；

步骤七、抽入待测气体，重复步骤一至六，获得含有待测气体的自由衰荡时间常数；

步骤八、根据测得的空腔和含有待测气体的自由衰荡时间常数等数据，计算腔内气体浓度。

本发明具有以下的有益效果：

本发明的提高腔体衰荡时间测量精度的方法，使用电流快速关断半导体激光器，减轻了拖尾现象对测量数据的影响。

本发明的提高腔体衰荡时间测量精度的方法，通过高精度DAC精确设定上下阈值，减小了ADC连续采样判断所引起的测量误差，更重要的是通过双阈值设定，去除了关闭激光器过程中光能量输入对测量的影响。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为系统工作原理示意图。

图2为腔内光强衰荡曲线示意图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：测量时间间隔时，有很多因素导致测量精度的下降，其中最重要的一点是起始时刻的定位精度。本发明正是针对这一问题，从两个方面提高对起始时刻的定位精度，进而提高腔体衰荡光谱测量中时间间隔的测量精度。

具体的说，本发明的提高腔体衰荡时间测量精度的方法，包括以下步骤：

开启激光器，并通过波长反馈调节系统将波长锁定到待测气体的特征吸收谱线范围内；

调整谐振腔长度，并监测探测器输出信号幅度，直到探测器输出信号幅度达到设定的上阈值，停止调整腔长，并关闭激光器；

当探测器输出信号幅度再次为设定上阈值时，计时开始；

当探测器输出信号幅度达到设定下阈值时，计时终止；

计算空腔自由衰荡时间常数；

抽入待测气体，重复上述步骤，获得含有待测气体的自由衰荡时间常数；

根据测得的空腔和含有待测气体的自由衰荡时间常数等数据，计算腔内气体浓度。

下面结合附图1和附图2具体说明本发明的步骤实现。

一种提高腔体衰荡时间测量精度的方法，包括以下步骤：

步骤一、设备加电，开启激光器2，控制器101通过温度驱动102和电流驱动103调节激光器2的波长，并用波长监测器(图中未给出)监测波长变化，并将波长锁定在气体特征吸收谱线范围内；

步骤二、通过腔长调节单元(图中未给出)调整谐振腔3的长度，并用探测器4监测谐振腔3出射光强；