[发明专利]一种基于光学相干吸收光谱技术的高空间分辨率分布式气体检测系统及其工作方法

说明书

本发明涉及一种基于光学相干吸收光谱技术的高空间分辨率分布式气体检测系统及其工作方法，该气体检测系统包括扫频光源、2:2光纤耦合器、偏振控制器、光纤反射镜、特种光纤、1:2光纤耦合器、差分光电探测器、数据采集卡和计算机；扫频光源与2:2光纤耦合器的相连接，2:2光纤耦合器的输出端分别与偏振控制器和特种光纤相连接；偏振控制器的输出端与光纤反射镜相连接，特种光纤上设置有若干个气体微流道。该检测系统只需要一个光电探测器，对探测到的干涉光信号应用傅里叶变换，便可将不同位点的气体吸收信息区分开，达到分布式检测的目的，大大简化了分布式检测系统的复杂度，能够实现高空间分辨率的分布式气体检测。

技术领域

本发明涉及一种基于光学相干吸收光谱技术的高空间分辨率分布式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

高灵敏度、高精度的痕量气体检测系统在环境监测、安全生产和工业过程监控等诸多领域有着广泛应用。目前，常用的气体检测方法主要有催化燃烧法、热导率法、电化学法、半导体气敏材料法和红外光谱法等，其中红外光谱法因其高灵敏度、高选择性、不易中毒、长期稳定性高等特点受到广泛关注，而可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)作为红外光谱法的一种，被普遍应用到痕量气体分析领域，再配合光纤传输光路，实现实时监控、快速响应和高灵敏度的同时又具有抗电磁干扰、耐腐蚀、信号传输速度快等有点，并且无需消耗待测样品。国内外诸多研究团队围绕TDLAS气体传感器做了大量工作，并不断有相关商业产品推出，但是大部分只针对单点测量。然而在实际工程应用中，除了对固定点位的测量需求之外，在天然气管道、煤矿井下坑道等场景下，需要对沿线进行分布式气体检测。近年来，光纤分布式传感技术因其高空间分辨率和长期稳定性等特点已应用到对温度、压力等物理量的分布式检测当中，但是在高空间分辨率的分布式气体检测方面，尚没有好的解决方案。

《煤炭学报》，2018年2月，第43卷第2期，371-376页，作者为郭清华、于庆、苟怡，名称为《基于激光自稳频技术的分布式多点甲烷检测系统研究》提出了一种多点位分布式甲烷检测系统，该系统采用1/8光分束器将激光光源分为8路，其中一路引入到密封有恒定甲烷气体的参考气室进行波长自动校准，剩余7路光信号用来实现准分布式检测，将系统检测误差由原来的±4％减小至±0.5％的同时，实现了对7个不同位置的同时测量。然而，这种准分布式系统实际上是将多个单点式检测模块集成到一起，每一个位置都要有单独的探测器模块，系统复杂成本高，工程上要想实现高空间分辨率的分布式检测难度大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于光学相干吸收光谱技术的高空间分辨率分布式气体检测系统，该检测系统只需要一个光电探测器，对探测到的干涉光信号应用傅里叶变换，便可将不同位点的气体吸收信息区分开，达到分布式检测的目的，大大简化了分布式检测系统的复杂度。

本发明还提供了一种基于光学相干吸收光谱技术的高空间分辨率分布式气体检测系统的工作方法。

本发明的技术方案为：

一种基于光学相干吸收光谱技术的高空间分辨率分布式气体检测系统，包括扫频光源、 2:2光纤耦合器、偏振控制器、光纤反射镜、特种光纤、1:2光纤耦合器、差分光电探测器、数据采集卡和计算机；

所述扫频光源的光输出端与所述2:2光纤耦合器的输入端相连接，所述2:2光纤耦合器的输出端分别与偏振控制器的输入端和特种光纤的输入端相连接；所述偏振控制器的输出端与光纤反射镜相连接，所述特种光纤上设置有若干个气体微流道；

所述2:2光纤耦合器与1:2光纤耦合器的输入端连接，1:2光纤耦合器的两个输出端分别连接差分光电探测器的两个输入端，差分光电探测器的输出端与数据采集卡的模拟输入端相连接，数据采集卡的模拟输出端与扫频光源的扫频信号输入端连接，所述数据采集卡的数字信号端口通过数据线连接所述计算机实现交互通信；扫频光源、2:2光纤耦合器、偏振控制器、光纤反射镜、特种光纤、1:2光纤耦合器和差分光电探测器构成Michelson干涉仪结构。