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原文传递一种基于相干探测方法的气体浓度遥感探测装置和方法

专利名称：	一种基于相干探测方法的气体浓度遥感探测装置和方法
摘要：	本发明属于激光技术应用技术领域，提供了一种基于相干探测方法的气体浓度遥感探测装置和方法。可调谐激光器发出的调频激光束经过激光准直装置准直后，由第一分光片分成两路光。一路是信号光，一路是本振光。信号光打在目标墙面上，用于检测待测气体。经过墙面散射的信号光依次经过多个成像透镜和第二分光片，该信号光与被第二分光片反射的本振光发生拍频相干。拍频相干信号通过光电探测器接收，最后被数据采集卡采集，计算机模块用于反演待测气体浓度。本发明适用于微弱光信号的探测，具有较高的灵敏度和信噪比，可实现吸收距离和吸收信号强度的同时探测。
专利类型：	发明专利
申请人：	大连理工大学
发明人：	梅亮;成远
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T15:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T08:00:00+0805
申请号：	CN202010040628.X
公开号：	CN111122500A
代理机构：	大连理工大学专利中心
代理人：	温福雪;侯明远
分类号：	G01N21/39;G01C3/00;G;G01;G01N;G01C;G01N21;G01C3;G01N21/39;G01C3/00
申请人地址：	116024 辽宁省大连市甘井子区凌工路2号
主权项：	1.一种基于相干探测方法的气体浓度遥感探测装置，其特征在于，该基于相干探测方法的气体浓度遥感探测装置包括信号发生器(1)、DFB激光器(2)、第一成像透镜(3)、第一分光片(4)、第二成像透镜(6)、孔径光阑(7)、第三成像透镜(8)、第一反射镜(9)、第二反射镜(10)、第二分光片(11)、光电探测器(12)、数据采集卡(13)和计算机(14)；所述的信号发生器(1)产生的锯齿信号加载在DFB激光器(2)上，对DFB激光器(2)进行频率或波长调制，控制DFB激光器(2)的驱动和温控，使激光光束的波长在线性输出的范围内只存在一个气体吸收峰；从DFB激光器(2)出来的激光光束经过第一成像透镜(3)准直为平行光；所述的平行光经过第一分光片(4)被分成两路光：一路光经由第一分光片(4)反射到硬目标(5)上，作为信号光；另一路光经由第一分光片(4)透射，作为本振光；所述的信号光被硬目标(5)散射，所得的散射光信号依次经过第二成像透镜(6)、孔径光阑(7)和第三成像透镜(8)后变成平行光；所述的孔径光阑(7)位于第二成像透镜(6)的后焦距处；所述的光阑(7)和第三成像透镜(8)之间的距离是第三成像透镜(8)的前焦距；准直之后的平行光透射过第二分光片(11)；所述的本振光依次经过第一反射镜(9)的反射、第二反射镜(10)的反射、第二分光片(11)的反射后和平行光相遇并发生干涉；所述的相干光被光电探测器(12)接收；所述的光电探测器(12)检测拍频信号，其输出端和数据采集卡(13)的信号采集输入端相连接。 2.根据权利要求1所述的基于相干探测方法的气体浓度遥感探测装置，其特征在于，所述的DFB激光器(2)发出的激光为调频激光光束，包括DFB激光器芯片、电流驱动和温控装置，DFB激光器(2)芯片的工作波长位于待测气体吸收峰附近，线宽优于10MHz。 3.根据权利要求1或2所述的基于相干探测方法的气体浓度遥感探测装置，其特征在于，所述的第一分光片(4)的分光比为90:10，其中信号光占比90％，本振光占比10％。 4.根据权利要求1或2所述的基于相干探测方法的气体浓度遥感探测装置，其特征在于：所述的第一成像透镜(3)焦距为15mm，口径为12.7mm；所述的第二成像透镜(6)焦距为175mm，口径为50mm；所述的第三成像透镜(8)焦距为15mm，口径为12.7mm。 5.根据权利要求3所述的基于相干探测方法的气体浓度遥感探测装置，其特征在于：所述的第一成像透镜(3)焦距为15mm，口径为12.7mm；所述的第二成像透镜(6)焦距为175mm，口径为50mm；所述的第三成像透镜(8)焦距为15mm，口径为12.7mm。 6.一种基于相干探测方法的气体浓度遥感探测方法，其特征在于，步骤如下： A、信号发生器(1)产生锯齿波，传输到DFB激光器(2)的驱动，使DFB激光器(2)发出调频激光束；同时数据采集卡(13)接收到触发信号，准备开始数据采集；DFB激光器(2)的调频周期为T，调频范围为Δv； B、调频激光束被第一成像透镜(3)准直，该准直光经过第一分光片(4)按90:10比例被分为两路光，占比90％的是信号光，占比10％的是本振光；信号光被第一分光片(4)反射，经过目标气体后到硬目标(5)上；另一路光经过第一分光片的透射，作为本振光； C、信号光经过硬目标(5)的散射后，被第二成像透镜(6)、孔径光阑(7)和第三成像透镜(8)接收并准直为平行光，该平行光透射过第二分光片(11)； D、本振光经过第一反射镜(9)、第二反射镜(10)反射、第二分光片(11)反射后和准直的平行光相干； E、产生的相干光被光电探测器(12)接收； F、光电探测器(12)将接收到的拍频信号传输给数据采集卡(13)采集； G、计算机(14)将数据采集卡(13)采集到的拍频信号进行傅里叶变换；在频域信号上，获得拍频信号频率的大小fb；在光速已知c的情况下，根据如下公式，计算出待测气体的吸收程L： H、对频域信号进行加窗处理，仅保留拍频信号附近的频谱；对该信号做傅里叶逆变换，即获得待测气体的吸收信号Sabs；假定已知气体浓度为Cref，吸收程为Lref条件下的气体吸收信号强度为Sref；在激光测量路径上气体的平均浓度表示为： I、将该系统对准任意硬目标(5)，发射激光光束，探测散射光信号强度，根据以上方法，获取待测路径上的气体平均浓度，从而实现移动式的气体浓度测量。
所属类别：	发明专利