[发明专利]一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置及方法

权利要求书

1.一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置，包括脉冲激光源(1)、光隔离器(2)、光纤环形器(3)、光电探测器(4)、数据采集处理控制单元(5)和高反射衰荡腔(6)，其特征在于：所述脉冲激光源(1)的输入端与数据采集处理控制单元(5)的输出端电性连接，所述脉冲激光源(1)的输出端通过传输光纤耦合至光隔离器(2)的输入端，所述光隔离器(2)的输出端通过传输光纤耦合至光纤环形器(3)的输入端，所述光纤环形器(3)通过传输光纤与高反射衰荡腔(6)双向耦合，所述光纤环形器(3)的返回端通过传输光纤耦合至光电探测器(4)的输入端，所述光电探测器(4)的输出端与数据采集处理控制单元(5)的输入端电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置，其特征在于，所述脉冲激光源(1)用于接收数据采集处理控制单元(5)的指令，按照一定时间间隔与延迟规则产生小脉宽窄线宽激光脉冲，并耦合至脉冲激光源(1)与光隔离器(2)之间的传输光纤中。

3.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置，其特征在于，所述光隔离器(2)用于隔离由光纤环形器(3)返回至脉冲激光源(1)的光信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置，其特征在于，所述光电探测器(4)用于接收光纤环形器(3)输入的光信号，并输出经过光电转换和信号处理的电信号。

5.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置，其特征在于，所述数据采集处理控制单元(5)用于控制脉冲激光源(1)按照一定时间序列发送激光脉冲，同步或间隔一定延迟后采集光电探测器(4)回传的信号，按照本专利公布的方法对回传信号进行处理复原衰荡曲线，存储并计算衰荡时间τ₀和τ，最终根据需求计算待测气体吸收系数、浓度等技术指标。

6.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置，其特征在于，所述高反射衰荡腔(6)的衰荡腔体的长度设置为L，内部两端放置反射率为R的高反射镜片，并保证高反射镜片与光纤耦合接口准直，能够形成有效的激光脉冲衰荡光程，且所述高反射衰荡腔(6)的表面两端分别设置有待测气体输入接口(61)和待测气体输出接口(62)。

7.根据权利要求6所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置，其特征在于，所述高反射衰荡腔(6)内部设置多片高反射镜片，在同一平面内形成多角度反射，减小衰荡腔体积，并增加衰荡光程。

8.根据权利要求6所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置，其特征在于，所述高反射衰荡腔(6)内部设置多片高反射镜片，在同一空间内形成多角度、多维度反射，增加衰荡光程覆盖空间范围。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：设置采样数据插补次数为N_b(N_b≥2，取整)，设置时间域数据累加次数为N_a；

步骤二：数据采集处理控制单元(5)发送触发信号，触发脉冲激光源(1)发射激光脉冲；

步骤三：与步骤二同步，数据采集处理控制单元(5)以采样频率F₀(采样间隔t_p＝1/F₀)进行数据采集，采集数据总数为n个，直至数据采集完成，数据按采样先后依次标记为c₁d₁、c₁d₂，直至c₁d_n；

步骤四：执行步骤二；

步骤五：与步骤四同步，首先延迟t_p/N_b，然后数据采集处理控制单元(5)以采样频率F₀(采样间隔t_p＝1/F₀)进行数据采集，采集数据总数为n个，直至数据采集完成，数据按采样先后依次标记为c₂d₁、c₂d₂，直至c₂d_n；

步骤六：重复执行步骤四、步骤五，但每次步骤五延迟增加t_p/N_b，数据按照以上步骤规则依次标记，直至直至

步骤七：对采集获得的N_b组长度为n的衰荡曲线数据，进行数据插补，得到插补后的衰荡曲线数据

步骤八：重复操作步骤二至步骤七，依次获得插补后衰荡曲线数据

步骤九：将N_a个长度为n·N_b的衰荡曲线数组内元素，按照元素位置，分别将相同位置的元素进行累加求和，得到长度为N_b的求和后数，将数组内每个元素分别除以N_a，得到累加平均后的长度为n·N_b的衰荡曲线数组D；

步骤十：将数组D内元素按照顺序先后，划分为n个大小为N_b单元，将每个单元内的N_b个元素进行取均值，形成长度为n的新数组

步骤十一：数组即为数据采集处理后的衰荡曲线数据，对数组进行指数拟合，求得衰荡时间τ，并根据衰荡时间τ和空腔状态下的衰荡时间τ₀对待测气体进行。