[发明专利]一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统和方法

权利要求书

1.一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统，系统包括同步模块、第一光学频率梳、第二光学频率梳、2×1光纤耦合器、光学带通滤波器、1×8光开关、光电探测器、信号采集与处理模块、激光发射装置、探测器阵列；其中，同步模块为第一光学频率梳、第二光学频率梳、1×8光开关、信号采集与处理模块提供工作时钟；重复频率差固定的第一光学频率梳、第二光学频率梳产生的超短飞秒光学脉冲经2×1光纤耦合器耦合，经过光学带通滤波器滤波接入1×8光开关通过开关切换产生8个输出，分别接到一个光电探测器和七边形传感器的七个激光发射装置，激光发射装置将光纤内的激光展成扇形激光照射到探测器阵列，光电探测器和探测器阵列上产生的双光梳干涉信号被信号采集与处理模块采集后进行处理分析，从中提取吸收谱信息，计算不同吸收谱线处的积分吸收率，结合迭代重建算法得到待测区域内的局部积分吸收率二维分布，进而计算得到温度和浓度二维分布。

2.基于权利要求1所述的一种基于双光梳光谱的温度场和浓度场测量系统，其特征在于同步模块的时钟分发以及通过光开关切换的方式使得两个光学频率梳激光器在光电探测器和七边形传感器的探测器阵列上产生干涉信号，并被信号采集与处理模块低通滤波后采集：

内部包含高稳定时钟信号源的同步模块为第一光学频率梳、第二光学频率梳、1×8光开关、信号采集与处理模块提供工作时钟；将第一光学频率梳、第二光学频率梳锁定到该高稳定时钟信号源，其重复频率分别为f_r1、f_r2，且满足f_r1＜f_r2，重频差f_rep＝f_r2-f_r1；光开关的切换频率f_sw锁定到该高稳定时钟信号源，重复频率差f_rep是切换频率f_sw的8n倍，n为正整数；信号采集与处理模块的采样时钟采用外部输入时钟，为第一光学频率梳的重复频率f_r1或是第二光学频率梳的重复频率f_r2；

第一光学频率梳、第二光学频率梳产生的覆盖一定光谱范围的超短飞秒光学脉冲通过2×1光纤耦合器耦合后，通过光学带通滤波器选择激光的光谱范围，该光学带通滤波器的光谱范围依据待测区域内的气体组分进行选择，光学带通滤波器的带宽BW满足式(1)，使得两个光学频率梳的多外差干涉产生的干涉信号间不发生频谱混叠：

光学带通滤波器的输出接入1×8光开关的输入，1×8光开关通过开关切换和分时策略将输入激光通过光开关的8个输出端口分时输出；1×8光开关的切换频率固定为f_sw，完成一轮切换的时间为1/f_sw，且每个输出端口激光输出的时间保持一致为1/(8f_sw)；1×8光开关的一个输出直接耦合到光电探测器，用于检测未经过吸收的两个超短光学脉冲的干涉信号，作为参考信号；其余七个输出分别接到七边形传感器的激光发射装置，激光发射装置将光纤内的激光展成扇形激光，该扇形激光覆盖七边形传感器的五条边上的探测器阵列，不包括激光发射装置所在顶点的两条临边在内；每条边上探测器阵列上集成的m个光电二极管，用于检测经过待测区域吸收后的两个超短光学脉冲的干涉信号，作为测量信号；每次扫描通过光开关控制七个激光发射装置使用分时扫描的方式依序发射扇形激光束，从每个角度发射的扇形激光束可以覆盖七边形传感器的五条边，每次扫描完成后可得到35m条激光路径上的测量信号；

产生的参考信号和测量信号经信号采集与处理模块前端集成的低通滤波器滤波，且低通滤波器的带宽小于f_r1/2以滤除高频激光脉冲信号以及频率不小于f_r1/2的干涉信号高频分量，避免发生频谱混叠；信号采集的时钟频率和第一光频梳的重复频率f_r1或是第二光学频率梳的重复频率f_r2保持一致。