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原文传递一种基于相干探测方法的光纤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光纤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领域，提供了一种基于相干探测方法的光纤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第一光纤耦合器将光束分成两路，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、光纤准直器被第二光纤耦合器接收，该信号光与接入第二光纤耦合器另一端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：	1900-01-20T00:00:00+0805
申请号：	CN202010040627.5
公开号：	CN111208084A
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光纤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光纤气体浓度遥感探测装置包括信号发生器(1)、DFB激光器(2)、第一光纤法兰盘(3)、第一光纤耦合器(4)、第一成像透镜(5)、第二成像透镜(7)、光阑(8)、第三成像透镜(9)、光纤准直器(10)、第二光纤耦合器(11)、第二光纤法兰盘(12)、光电探测器(13)、数据采集卡(14)和计算机(15)；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光纤法兰盘(3)进入第一光纤耦合器(4)被分成两路光，一路光经过第一成像透镜(5)的准直，发射到硬目标(6)上，作为信号光，另一路光作为本振光；所述的信号光被硬目标(6)散射，所得的散射光信号依次经过第二成像透镜(7)、光阑(8)和第三成像透镜(9)后变成平行光；所述的光阑(8)位于第二成像透镜(7)的后焦距处；所述的光阑(8)和第三成像透镜(9)之间的距离是第三成像透镜(9)的前焦距；准直之后的平行光经过光纤准直器(10)接入第二光纤耦合器(11)的一个输入端口；所述的本振光经过第二光纤法兰盘(12)接入到第二光纤耦合器(11)的另一个输入端口；所述的平行光和本振光在第二光纤耦合器(11)中发生干涉，产生的相干光由第二光纤耦合器(11)的输出端输出到光电探测器(13)；所述的光电探测器(13)检测拍频信号，其输出端和数据采集卡(14)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光纤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光纤气体浓度遥感探测装置，其特征在于，所述的第一光纤耦合器(4)的分光比为95:5，其中输出信号光那一端为通95％的光，输出本振光那一端为通5％的光。 4.根据权利要求1或2所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置，其特征在于，所述的第二光纤耦合器(11)的分光比为50:50。 5.根据权利要求3所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置，其特征在于，所述的第二光纤耦合器(11)的分光比为50:50。 6.根据权利要求1、2或5所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置，其特征在于，所述的第一成像透镜(5)焦距为15mm，口径为12.7mm；所述的第二成像透镜(7)焦距为175mm，口径为50mm；所述的第三成像透镜(9)焦距为15mm，口径为12.7mm。 7.根据权利要求3所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置，其特征在于，所述的第一成像透镜(5)焦距为15mm，口径为12.7mm；所述的第二成像透镜(7)焦距为175mm，口径为50mm；所述的第三成像透镜(9)焦距为15mm，口径为12.7mm。 8.根据权利要求4所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置，其特征在于，所述的第一成像透镜(5)焦距为15mm，口径为12.7mm；所述的第二成像透镜(7)焦距为175mm，口径为50mm；所述的第三成像透镜(9)焦距为15mm，口径为12.7mm。 9.一种基于相干探测方法的光纤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(14)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、调频激光束经过第一光纤法兰盘(3)，进入第一光纤耦合器(4)按照95：5比例被分成两路光，占比95％的是信号光，占比5％的是本振光； C、信号光经过第一成像透镜(5)的准直后出射，在经过目标气体之后打在硬目标(6)上；硬目标(6)将信号光散射后，被第二成像透镜(7)、孔径光阑(8)、第三成像透镜(9)接收，在经过光纤准直器(10)准直之后进入第二光纤耦合器(11)中； D、本振光经过第二光纤法兰盘(12)进入第二光纤耦合器(11)中；信号光和本振光在第二光纤耦合器(11)相干； E、由第二光纤耦合器(11)输出的信号被光电探测器(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(14)采集； G、计算机(15)将数据采集卡(14)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(6)，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(或任意位置)的气体浓度测量。
所属类别：	发明专利