[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

说明书

本发明公开了一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置及方法，涉及气体检测技术领域。本发明包括脉冲激光源、光隔离器、光纤环形器、光电探测器、数据采集处理控制单元和高反射衰荡腔，脉冲激光源的输入端与数据采集处理控制单元的输出端电性连接，脉冲激光源的输出端通过传输光纤耦合至光隔离器的输入端。本发明通过控制脉冲激光器脉冲与数据采集时序，重复多次采集脉冲衰荡曲线数据，通过空间域数据插补提高数据分辨率，通过时间域数据累加提高衰荡曲线信噪比，通过数据分割积分重构提高衰荡曲线包络基准点数据的准确性，解决了现有的气体检测技术方案成本高，调试难度大，受环境干扰多等问题。

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，特别是涉及一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置及方法。

背景技术

光腔衰荡光谱技术(Cavity Ring Down Spectroscopy，简称CRDS)是利用激光和气体分子之间发生相互的作用机理来进行气体探测的。脉冲激光作为光源，高反射率腔镜构成衰荡腔，激光脉冲在高反射衰荡腔内来回反射而形成衰荡光程。

根据Lambert-Beer定律，光脉冲经环形器还回的强度I(t)被确定为一个随时间变化的指数函数。其中，R为高反镜反射率(R99.99％)，c为光速，L为两面反射镜的距离，α为衰荡腔待测气体的吸收系数。

衰荡时间τ是指光强I(t)从原有强度I₀下降到1/e所用的时间，因此可以得到衰荡时间τ的函数，同样，在高反射腔为空腔状态下的衰荡时间τ₀。

最终，可以计算出样品吸收系数：

由其技术原理可知，基于光腔衰荡光谱技术的气体检测结果仅与衰荡时间有关，而不依赖于激光脉冲强度，任何激光脉冲光源光强的漂移都不会在测量中引入误差，使得光腔衰荡光谱不需要用到外部标准进行校准或对照。因此，基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置能否精准采集衰荡曲线数据，并准确计算衰荡曲线包络基准点，再通过包络基准点进行指数拟合，进而计算衰荡时间，就显得非常重要。

当前基于光腔衰荡光谱技术的气体检测系统一般在高反射衰荡腔两侧分别放置光源和探测器，通过透镜组进行空间光耦合，借助高速采样和锁相技术进行信号解调系统，成本高，调试难度大，工程施工复杂，容易受到气体检测应用现场外界环境影响。

因此，现有的光腔衰荡光谱气体检测技术，无法满足实际使用中的需求，所以市面上迫切需要能改进的技术，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单有效的装置及方法，能够借助光腔衰荡光谱技术进行气体检测，结构简单，实用性强，维护性好，准确度高，能够明显降低环境干扰造成的测量不准确度，可显著提高光腔衰荡光谱技术在气体检测领域的工程化应用，解决了现有的气体检测技术方案成本高，调试难度大，受环境干扰多等问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为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、光隔离器、光纤环形器、光电探测器、数据采集处理控制单元和高反射衰荡腔，所述脉冲激光源的输入端与数据采集处理控制单元的输出端电性连接，所述脉冲激光源的输出端通过传输光纤耦合至光隔离器的输入端，所述光隔离器的输出端通过传输光纤耦合至光纤环形器的输入端，所述光纤环形器通过传输光纤与高反射衰荡腔双向耦合，所述光纤环形器的返回端通过传输光纤耦合至光电探测器的输入端，所述光电探测器的输出端与数据采集处理控制单元的输入端电性连接。

进一步地，所述脉冲激光源用于接收数据采集处理控制单元的指令，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与光隔离器之间的传输光纤中。