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专利号: 2023113296205
申请人: 西北工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-08-29
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于双光学频率梳的气体检测系统,其特征在于,包括:

双光学频率梳光源,由两台重频相互锁定的光学频率梳形成,用于产生信号光;

分束器,与所述双光学频率梳光源连接,用于将所述信号光分为强度相同的第一路信号光和第二路信号光;

光束整形子系统,与所述分束器连接,包括第一光束整形器和第二光束整形器,所述第一光束整形器用于接收并调整所述第一路信号光以形成第一调整信号光,所述第二光束整形器用于接收并调整所述第二路信号光以形成第二调整信号光,所述第一调整信号光和所述第二调整信号光的光路相互垂直;

探测器子系统,包含第一二维探测器阵列和第二二维探测器阵列,所述第一二维探测器阵列中排布有多行多列的光电探测器,与所述第一光束整形器的光输出面平行设置,用于对经过待测气体的所述第一调整信号光进行光电转换,以生成第一初始干涉图信号,所述第二二维探测器阵列中排布有多行多列的光电探测器,与所述第二光束整形器的光输出面平行设置,用于对经过所述待测气体的所述第二调整信号光进行光电转换,以生成第二初始干涉图信号;

信号处理子系统,与所述探测器子系统连接,用于接收所述第一初始干涉图信号和所述第二初始干涉图信号,并根据所述第一初始干涉图信号和所述第二初始干涉图信号确定与所述待测气体对应的三维场分布信息,所述三维场分布信息包括气体成分、气体浓度、气体压强、气体流速和温度;

其中,根据所述第一初始干涉图信号和所述第二初始干涉图信号确定与所述待测气体对应的三维场分布信息,包括:对所述第一初始干涉图信号和所述第二初始干涉图信号中的初始干涉图信号进行轮询,将任意一组初始干涉图信号作为目标初始干涉图信号;

将与所述目标初始干涉图信号对应的所有单周期干涉信号进行幅度叠加,以获取有效干涉图信号;

对所述有效干涉图信号进行傅里叶变换,以获取叠加信号,并根据所述叠加信号和所述双光学频率梳光源的光谱信号确定气体吸收谱信号;

对所述气体吸收谱信号进行分析,以获取与所述目标初始干涉图信号对应的路径气体信息;

轮询结束后,基于各所述初始干涉图信号对应的气体吸收谱信号确定初始三维场信息,所述初始三维场信息包含所有路径交点处的气体压强、气体流速、气体浓度和温度;

对所述初始三维场信息进行插值处理,并根据插值后的气体参数值、与所述第一初始干涉图信号对应的路径气体信息和与所述第二初始干涉图信号对应的路径气体信息确定所述三维场分布信息。

2.根据权利要求1所述的基于双光学频率梳的气体检测系统,其特征在于:所述第一二维探测器阵列上的光电探测器的排布形状与所述第一调整信号光的光场形状相同;

所述第二二维探测器阵列上的光电探测器的排布形状与所述第二调整信号光的光场形状相同。

3.根据权利要求1所述的基于双光学频率梳的气体检测系统,其特征在于,还包括:高非线性光纤,与所述双光学频率梳光源连接,用于将所述信号光转换为超连续谱;

滤波器,与所述高非线性光纤和所述分束器连接,用于从所述超连续谱中提取目标光谱范围的信号光,并将所述目标光谱范围的信号光输入至所述分束器中。

4.一种基于双光学频率梳的气体检测方法,应用于如权利要求1‑3中任一项所述的基于双光学频率梳的气体检测系统,其特征在于,所述方法包括:通过所述分束器将所述双光学频率梳光源输出的信号光分为强度相同的第一路信号光和第二路信号光;

通过所述光束整形子系统中的第一光束整形器对所述第一路信号光进行调整,生成第一调整信号光;通过所述光束整形子系统中的第二光束整形器对所述第二路信号光进行调整,生成与所述第一调整信号光的光路相垂直的第二调整信号光;

通过所述探测器子系统中的第一二维探测器阵列对经过所述待测气体的所述第一调整信号光进行光电转换,生成第一初始干涉图信号;通过所述探测器子系统中的第二二维探测器阵列对经过所述待测气体的所述第二调整信号光进行光电转换,生成第二初始干涉图信号;

对所述第一初始干涉图信号和所述第二初始干涉图信号中的初始干涉图信号进行轮询,将任意一组初始干涉图信号作为目标初始干涉图信号;

将与所述目标初始干涉图信号对应的所有单周期干涉信号进行幅度叠加,以获取有效干涉图信号;

对所述有效干涉图信号进行傅里叶变换,以获取叠加信号,并根据所述叠加信号和所述双光学频率梳光源的光谱信号确定气体吸收谱信号;

对所述气体吸收谱信号进行分析,以获取与所述目标初始干涉图信号对应的路径气体信息;

轮询结束后,基于各所述初始干涉图信号对应的气体吸收谱信号确定初始三维场信息,所述初始三维场信息包含所有路径交点处的气体压强、气体流速、气体浓度和温度;

对所述初始三维场信息进行插值处理,并根据插值后的气体参数值、与所述第一初始干涉图信号对应的路径气体信息和与所述第二初始干涉图信号对应的路径气体信息确定所述三维场分布信息。

5.根据权利要求4所述的基于双光学频率梳的气体检测方法,其特征在于,所述第一初始干涉图信号中包含的初始干涉图信号的数量与所述第一二维探测器阵列中光电探测器的数量相同,所述第二初始干涉图信号中包含的初始干涉图信号的数量与所述第二二维探测器阵列中光电探测器的数量相同。

6.根据权利要求4所述的基于双光学频率梳的气体检测方法,其特征在于,所述根据所述叠加信号和所述双光学频率梳光源的光谱信号确定气体吸收谱信号,包括:从所述叠加信号中去除所述双光学频率梳光源的光谱信号,以获取所述气体吸收谱信号。

7.根据权利要求4或6所述的基于双光学频率梳的气体检测方法,其特征在于,所述对所述气体吸收谱信号进行分析,以获取与所述目标初始干涉图信号对应的路径气体信息,包括:根据吸收谱标准模型数据库中的标准气体吸收谱数据构建吸收谱仿真模型,通过调节所述吸收谱仿真模型中的气体参数,获取仿真吸收谱信号;

采用最小二乘法对所述仿真吸收谱信号和所述气体吸收谱信号进行对比,以获取信号偏差;

将所述信号偏差与预设阈值进行比较,当所述信号偏差小于或等于所述预设阈值时,将与所述仿真吸收谱信号对应的气体参数作为所述路径气体信息。

8.根据权利要求4所述的基于双光学频率梳的气体检测方法,其特征在于,所述基于各所述初始干涉图信号对应的气体吸收谱信号确定初始三维场信息,包括:根据初始气体参数值和各路径对应的入射光强度,确定与各所述路径对应的出射光强度;

将所述出射光强度与所述气体吸收谱信号的强度进行比对;

当所述出射光强度与所述气体吸收谱信号的强度之间的强度差小于或等于预设强度阈值时,将所述初始气体参数值作为所述初始三维场信息;

当所述出射光强度与所述气体吸收谱信号的强度之间的强度差大于预设强度阈值时,修正所述初始气体参数值,直至所述强度差小于或等于所述预设强度阈值,并将修正后的气体参数值作为所述初始三维场信息。

9.根据权利要求4所述的基于双光学频率梳的气体检测方法,其特征在于,所述对所述初始三维场信息进行插值处理,并根据插值后的气体参数值、与所述第一初始干涉图信号对应的路径气体信息和与所述第二初始干涉图信号对应的路径气体信息确定所述三维场分布信息,包括:沿所述待测气体的传输方向,将所述初始三维场信息对应的三维空间划分为多个二维平面;

对每个所述二维平面对应的气体参数值进行二维插值,以获取插值气体参数值;

根据与所有所述二维平面对应的插值气体参数值和所述路径气体信息中的气体成分确定所述三维场分布信息;或者对所述初始三维场信息进行三维插值,并根据插值得到的插值气体参数值和所述路径气体信息中的气体成分确定所述三维场分布信息。