[发明专利]一种基于无锁相双光梳吸收光谱的气体参数测量方法

说明书

本发明提出一种基于无锁相双光梳吸收光谱的气体参数测量方法，属于激光吸收光谱技术领域。无锁相的双光梳经光纤耦合器分束，一路为测量光路，经光学带通滤波器和待测气体后由光电探测器接收；一路为参考光路，经光学带通滤波器后耦合到光电探测器；无锁相的双光梳在光电探测器上产生的干涉信号经低通滤波器滤波后被数据采集卡采集；通过对测量和参考光路的干涉信号做傅里叶变换提取频谱，通过频谱互相关提取频谱抖动并通过频谱搬移予以补偿频谱抖动，通过多次平均抑制噪声后获得原始吸收光谱，最后基于修正的多光谱拟合方法解算待测气体参数。本发明简化了气体参数测量中所需的光频梳的系统复杂度，可实现宽光谱测量，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种基于无锁相双光梳吸收光谱的气体参数测量方法，属于激光诊断技术领域，该系统用于激光路径上气体温度、组分浓度的定量测量。

背景技术

作为一种响应快速、灵敏度高、抗干扰的非接触式测量方法，基于激光吸收光谱的气体参数测量技术近些年来得到了快速发展，被广泛应用于燃烧诊断、大气监测、工业现场等领域。

传统的激光吸收光谱技术主要使用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TunableDiode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)。TDLAS技术中使用的可调谐二极管激光器的波长扫描范围有限，一般只能覆盖一种待测气体的一到两个特征吸收峰，对于不同的待测组分如H₂O、CO、CO₂和CH₄，需要更换不同波长的激光器来进行测量。TDLAS一般使用比色法测温，为了使用比色法对温度进行准确的测量，一般依据测试温度范围选择不少于两个特征吸收峰，且其低能级能量应有较大的差异，在实际使用中一般使用多个激光器对多个吸收谱线进行扫描。比如，2011年李飞等人发表在《应用光学》(Applied Optics)第50卷第36期6697-6707页的论文《使用可调谐二极管激光传感器对超燃冲压发动机多流动参数特性的同时测量》(Simultaneous measurements of multiple flow parameters forscramjet characterization using tunable diode-laser sensors)使用中心波数为7185cm^-1和7444cm^-1的两个分布反馈式(Distributed Feedback，DFB)激光器测试了超燃冲压发动机的三个不同位置的气流速度、温度和H₂O浓度三个参数。为了测量多种组分的浓度，也需要选用多个激光器。2009年，G.B.Rieker等人发表在《应用光学》(Applied Optics)第48卷第29期5546页的论文《无校准波长调制光谱测量气体温度和浓度在恶劣的环境》(Calibration-free wavelength-modulation spectroscopy for measurements of gastemperature and concentration in harsh environments)在测试超燃冲压发动机排气口的温度、CO₂、H₂O浓度的过程中使用了六个不同波段的DFB激光器，光栅分光后利用多个探测器接收不同波段的激光信号，增加了系统的复杂程度。