[发明专利]一种多组分气体检测系统及方法

说明书

本发明公开了一种多组分气体检测系统及方法，包括：频率梳光源模块，包括光学频率梳和可调谐光学滤波器，由所述可调谐光学滤波器选择所述光学频率梳在预定波长处的输出模式作为窄带探测光；光纤分束器，用于将所述窄带探测光平均分为两束光；双通道光路结构，用于将所述两束光于两个通道传输，分别输出参考光和测量光；光电检测模块，用于将所述参考光、所述参考光与所述测量光的差分信号分别转换成电信号；电信号处理模块，用于从所述电信号中提取幅值信息，得到表征目标气体浓度的信号；及计算模块，用于根据所述表征目标气体浓度的信号，计算目标气体浓度。具有系统简单稳定、检测灵敏度高、快速响应及时间分辨率高等优点。

技术领域

本申请属于光谱学气体传感技术领域，具体涉及一种多组分气体检测系统及方法。

背景技术

光谱学气体传感技术通过测量分子的指纹吸收光谱来分析气体浓度，是一种非接触式在线检测手段，目前成熟的光谱学气体传感技术主要根据光源的性质不同而分为两类：基于窄线宽激光器的可调谐激光光谱技术和基于宽带非相干光源的宽谱测量技术。前者得益于高度相干激光的低损耗传播特性，可以通过长距离吸收作用实现较高的检测灵敏度，但激光器波长的有限调谐范围通常只能针对一、两种气体组分；后者由于光源的输出光谱可以覆盖几百纳米的波长范围，能够进行多组分同时检测，但此类系统后端一般采用光谱仪来采集吸收光谱，需要较长的扫描时间，另外非相干光的传播距离远远达不到激光的水平，使得检测灵敏度大大降低。

飞秒光学频率梳，其超高速时域脉冲、宽光谱覆盖范围、严格等间距排列的频域梳齿以及高度相干的激光特性，完美结合了传统窄线宽激光器和宽带非相干光源的优势，为光谱学研究提供了全新的技术手段，有望实现集多组分、高灵敏度、快速响应特点于一身的气体传感系统。近十几年来，该研究领域快速发展，包括空间色散光谱、迈克尔逊干涉光谱、双光学频率梳光谱在内的三类现有频率梳光谱测量技术，已经展现出在气体探测领域的巨大应用潜力。然而，目前的相关系统均涉及复杂的宽带光谱采集和计算过程，且通常采用空间光路完成光信号的准直、干涉、接收等处理，存在系统庞大而精密、机械稳定性差、光谱采集效率低且噪声大、对频率梳光源稳定性要求极高而成本不菲的问题。

综上，目前三类主要的频率梳光谱测量技术弥补了传统光谱学气体传感技术无法兼顾多组分、高灵敏度、快速响应特点的缺陷，但都仍然存在一定的不足和改进空间。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种多组分气体检测系统及方法，以解决相关技术中存在的空间光路复杂而稳定性差、光谱采集效率低且噪声大、对频率梳光源稳定性要求过高而开发成本高的技术问题。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种多组分气体检测系统，其特征在于，包括：

频率梳光源模块，包括光学频率梳和可调谐光学滤波器，由所述可调谐光学滤波器选择所述光学频率梳在预定波长处的输出模式作为窄带探测光；

光纤分束器，用于将所述窄带探测光平均分为两束光；

双通道光路结构，用于将所述两束光于两个通道传输，分别输出参考光和测量光；

光电检测模块，用于将所述参考光、所述参考光与所述测量光的差分信号分别转换成电信号；

电信号处理模块，用于从所述电信号中提取幅值信息，得到表征目标气体浓度的信号；及

计算模块，用于根据所述表征目标气体浓度的信号，计算目标气体浓度。

进一步地，所述可调谐光学滤波器为具有覆盖所述光学频率梳完整输出光谱的宽工作波长范围、与目标气体分子单支吸收谱线宽度相近的窄带通带宽的光学滤波器。

进一步地，所述双通道光路结构包含参考通道与测量通道，所述参考通道中设置有光学衰减器，所述测量通道中设置有气体吸收池。