[发明专利]一种基于傅里叶域光学相干吸收光谱技术的气体检测系统及其工作方法

说明书

本发明涉及一种基于傅里叶域光学相干吸收光谱技术的气体检测系统及其工作方法，包括扫频光源、1：2光纤耦合器、偏振控制器、气体吸收池、2：2光纤耦合器、差分光电探测器、数据采集卡、计算机；扫频光源输出的光经1：2光纤耦合器分光后，一部分光耦合进入参考光路作为参考光，偏振控制器调节参考光的偏振态来调节最终的干涉信号；另一部分光作为信号光与待测气体发生作用；参考光和信号光在2：2光纤耦合器内发生干涉，被差分光电探测器探测得到干涉信号，求取待测气体浓度。本发明实现吸收谱线内的吸收面积监测，抑制吸收线型变化对气体检测结果的影响，提高系统对复杂检测环境的抗干扰能力，简化计算过程，提高信噪比，降低测量误差。

技术领域

本发明涉及一种基于傅里叶域光学相干吸收光谱技术的气体检测系统及其工作方法，即涉及一种集合了傅里叶变换方法、光学相干理论、吸收光谱技术的新型气体检测系统及其工作方法，属于光纤气体检测技术领域。

背景技术

对有毒、有害、易燃、易爆气体进行快速准确的在线监测与预警是保证工农业生产安全、居民生活安全的重要一环，也是不断推进《中国制造2025》的重要保障。待测气体组分含量可能在百万分之一量级或者以下，测量场景也往往涉及高温、高压、组分多样化等复杂环境，基于催化燃烧、热导率、电化学等传统方法已经难以满足在各种复杂环境下对目标气体的高精度测量需求。

光纤气体传感器以本征安全、抗电磁干扰、耐高温高压、易远程传输和复用等优势逐渐发展起来，它的基本原理是检测气体对特定波长处的光功率吸收，在低浓度情况下，这种光功率变化非常微弱，因此，寻找高灵敏度的检测方法一直是光纤气体检测领域的重要研究内容。差分探测、谐波探测、长光程吸收池、腔衰荡光谱等技术不断被研发，用来提升光纤气体传感器的测量灵敏度，近年来兴起的光声光谱技术更是将光纤气体传感器的测量灵敏度提高到ppt量级。然而，上述方法全部基于吸收谱线幅值检测，不可避免受吸收谱线线型的影响，在压强改变、背景气体复杂多变的测量环境下，吸收谱线的线型偏移和宽度变化是必然发生的，这将导致原先已标定好的气体传感系统失灵。

《激光杂志》，2017年5月，第38卷第5期，40-44页，作者为朱雁军、樊孝华、高潮、郭江龙，题为《基于可调谐激光吸收光谱技术的免校准硫化氢气体传感器》提出一种快速、敏感的硫化氢气体检测装置，利用锁相放大器同时解调一次谐波(1f)和二次谐波(2f)信号，用1f信号对2f信号进行归一化处理使传感装置达到免校准测量的效果。然而，该类方法只能抑制由于光路、电路及光强波动等因素产生的干扰，因其仍然基于吸收谱线幅值检测，所以对吸收谱线线型变化对测量结果的影响没有免疫力。

中国专利文献CN109142244A公开了一种多衰荡干涉型全光纤气体传感器，包括光源、环形器、耦合器A、偏振控制器A、偏振控制器B、耦合器B、气体吸收池、光纤延迟线、声光调制器、驱动器、电脑、自平衡探测器、数据采集卡。但是，该专利光学系统复杂，系统中环形器、耦合器A和B、声光调制器所含有的大量光学镜面将改变光信号的相位，进而影响最终的干涉信号。此外，系统中存在很高的插入损耗，衰荡腔内若不引入增益介质做功率补偿的话，光信号绕行圈数有限，不利于最后的衰荡时间拟合；衰荡腔内若引入增益介质做功率补偿，结果会打乱每一圈光信号之间的相位关联，导致干涉信号解调失败。因此，该专利在实际应用中要想获得较好的测量结果工程难度非常大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于傅里叶域光学相干吸收光谱技术的气体检测系统，本发明还提供了上述气体检测系统的工作方法；本发明能够实现吸收谱线线型范围内吸收面积检测。

术语解释：

Beer-Lambert定律，朗伯一比尔定律，是分光光度法的基本定律，是描述物质对某一波长光吸收的强弱与吸光物质的浓度及其液层厚度间的关系。

本发明的技术方案为：