專利名稱：一種利用鎖頻激光的光腔衰蕩光譜技術(shù)測量氣體組分含量的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種使用鎖頻激光的、基于光腔衰蕩技術(shù)的激光光譜測量氣體中組分含量的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
目前，利用分子的光譜來測量氣體組分含量的方法已得到發(fā)展，該方法具體為通過對被測氣體中某氣體組分分子的某條吸收譜線進(jìn)行測量，獲取該組分的吸收率，進(jìn)一步依據(jù)該吸收率與該氣體組分之間所存在的線性關(guān)系，獲得該氣體組分的含量。例如，選定某氣體組分分子在頻率Vtl處的吸收譜線，在吸收峰附近掃描激光器頻率V (V = l/λ，單位cm—1)，測量其吸收光譜，得到相應(yīng)的吸收率α (V)(單位cm—1)，即可對該吸收光譜進(jìn)行數(shù)值擬合，得到吸收峰的面積，由關(guān)系kN = / a (v) dv(I)可以直接得到該分子密度N(單位molecule/cm3，個分子每立方厘米)，其中k為所選定吸收譜線的強(qiáng)度，單位為cm/molecule (厘米每個分子)，可以從HITRAN等光譜數(shù)據(jù)庫查得，或利用吸收光譜方法直接進(jìn)行測定。但是，普通的光譜方法靈敏度低，難以對含量較低的檢測對象進(jìn)行測量。光腔衰蕩光譜(Cavity Ring-Down Spectroscopy, CRDS)技術(shù)是一種利用高反射率光腔來提高有效吸收光程，從而達(dá)到很高探測靈敏度的吸收光譜技術(shù)，能夠?qū)ΤＲ?guī)吸收光譜方法無法測量到的痕量樣品進(jìn)行檢測。其測量原理是將被測氣體置于由一對平凹鏡組成的光學(xué)腔(以下稱之為光衰蕩腔)中。一束連續(xù)激光經(jīng)過一個光開關(guān)后進(jìn)入衰蕩腔，當(dāng)其滿足共振條件時，會有一部分光穿過衰蕩腔并射出；光探測器測得射出光后，觸發(fā)光開關(guān)關(guān)閉，此后透射光會隨時間以指數(shù)形式衰減，這被稱為一個衰蕩事件；擬合該衰蕩事件，會得到特征衰蕩時間τ，它與目標(biāo)氣體的吸收率α有關(guān)
II廠、~=——+ α(Λ)(2)
Cr W CT0其中L為衰蕩腔長度，C為光速，τ ^為不存在吸收(如空腔時)的衰蕩時間，與激光波長λ無關(guān)。因此，如果掃描激光波長λ，同時測量衰蕩時間τ，就能夠通過對所測得的(ex)-1結(jié)果進(jìn)行擬合得到該譜線的積分吸收率，并進(jìn)而得到被測氣體中某氣體組分的絕對含量。然而，由于測量衰蕩事件所需要的時間較長，掃描光譜方法又需要在多個波長點(diǎn)進(jìn)行測量，使得測量的時間消耗較大(一般為數(shù)十秒)。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的光腔衰蕩光譜技術(shù)測量氣體組分含量的方法耗時較長的缺點(diǎn)。
(二)技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明利用自動反饋控制方法，將激光器輸出激光的波長自動控制在被測目標(biāo)氣體分子的吸收線中心\ 0處，不再掃描激光波長，僅通過測量被測目標(biāo)氣體在Atl處的吸收率a (入0)，根據(jù)公式kN= a $來得到目標(biāo)氣體在光衰蕩腔中的密度N。其中線形參數(shù)0以及線強(qiáng)度k分別表示吸收線線寬和吸收線強(qiáng)度，均可根據(jù)光衰蕩腔中的目標(biāo)氣體的溫度、壓力和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(如HITRAN)得到，也可以通過對標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)氣體進(jìn)行測量定標(biāo)的方法來確定。根據(jù)本發(fā)明的一個技術(shù)方案是一種用于測量混合氣體中所含的目標(biāo)氣體的含量的系統(tǒng)，包括用于輸出激光的激光光源、鎖定通道、鎖定裝 置、衰蕩光譜測量通道、光探測裝置和數(shù)據(jù)接收處理裝置，其中所述鎖定通道用于使所述激光通過純的目標(biāo)氣體，產(chǎn)生一個對激光波長敏感的參考光強(qiáng)信號；所述鎖定裝置用于根據(jù)所述參考光強(qiáng)信號產(chǎn)生一個反饋控制信號，以控制所述激光的波長鎖定于目標(biāo)氣體的分子的吸收譜線的中心波長；所述衰蕩光譜測量通道用于使所述激光通過所述被測混合氣體，產(chǎn)生經(jīng)該被測混合氣體吸收的衰蕩激光；所述光探測裝置用于檢測所述衰蕩激光，并產(chǎn)生一個表示該衰蕩激光的光強(qiáng)的衰蕩光強(qiáng)信號；所述數(shù)據(jù)處理裝置用于對所述衰蕩光強(qiáng)信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并記錄模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，該模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果可用于計算所述目標(biāo)氣體的含量。本發(fā)明的另一技術(shù)方案為一種用于測量混合氣體中所含的目標(biāo)氣體的含量的方法，包括如下步驟使一束激光通過純的所述目標(biāo)氣體，產(chǎn)生一個對激光波長敏感的參考光強(qiáng)信號，根據(jù)所述參考光強(qiáng)信號產(chǎn)生一個反饋控制信號，以控制所述激光的波長鎖定于目標(biāo)氣體的分子的吸收譜線的中心波長；使所述激光還通過容納于一個光衰蕩腔中的所述被測混合氣體，產(chǎn)生經(jīng)該被測混合氣體吸收的衰蕩激光，并檢測所述衰蕩激光，產(chǎn)生一個表示該衰蕩激光的光強(qiáng)的衰蕩光強(qiáng)信號；對所述衰蕩光強(qiáng)信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并記錄模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，對所述模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行擬合，得到所述光衰蕩腔在充有被測混合氣體時的光腔衰蕩時間T，然后依據(jù)公式a =(c T )-L(CTtl)-1得到所述被測混合氣體的在中心波長X ^處的吸收率a U I并根據(jù)N =a (Atl) $/k得到目標(biāo)氣體的密度，其中T C1該光衰蕩腔在空腔時的光腔衰蕩時間。(三)有益效果本發(fā)明在測量過程中使激光波長自動鎖定在\ 0處，因此不再需要掃描激光波長，相對于需要掃描激光波長測量的現(xiàn)有技術(shù)，所需時間大大縮短，從而提高了測量速度。


圖I為本發(fā)明的利用鎖頻激光進(jìn)行光腔衰蕩以測量氣體組分含量的系統(tǒng)的原理示意圖；圖2為本發(fā)明的利用鎖頻激光進(jìn)行光腔衰蕩以測量氣體組分含量的系統(tǒng)的一個實施例的組成結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明利用鎖頻激光進(jìn)行光腔衰蕩的光譜測量，以獲得氣體含量的系統(tǒng)和方法，以提高測量速度，減少時間消耗。本發(fā)明的利用鎖頻激光進(jìn)行光腔衰蕩以測量氣體組分含量的系統(tǒng)的測量速度僅受限于測量一次衰蕩事件所需的時間，目前一般為數(shù)微秒到數(shù)百微秒之間，由于測量過程中激光波長被鎖定在、0處，不再需要掃描激光波長，相對于需要掃描激光波長測量的現(xiàn)有技術(shù)，所需時間大大縮短，從而提高了測量速度。圖I為本發(fā)明的利用鎖頻激光進(jìn)行光腔衰蕩以測量 氣體組分含量的系統(tǒng)的原理示意圖，該系統(tǒng)用于測量被測混合氣體中所含的目標(biāo)氣體的含量。如圖I所示，本發(fā)明的系統(tǒng)包括激光光源I、鎖定通道2、鎖定裝置3、衰蕩光譜測量通道4、光探測裝置5和數(shù)據(jù)接收處理裝置6。其中激光光源I用于輸出激光。根據(jù)本發(fā)明的激光光源I應(yīng)具有窄線寬(< IOMHz)、可調(diào)諧的特性。在本發(fā)明中，其可以采用分布式反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器。所述激光光源I所輸出的激光被分成兩束，一束入射到鎖定通道2，另一束入射到衰蕩光譜測量通道4。所述鎖定通道2用于使激光通過純的目標(biāo)氣體，產(chǎn)生一個對激光波長敏感的參考光強(qiáng)信號，從鎖定通道2出射的激光入射到一個鎖定裝置3，所述鎖定裝置3用于根據(jù)該參考光強(qiáng)信號產(chǎn)生一個反饋控制信號。該反饋控制信號返回到所述激光光源1，用于控制所述激光光源I發(fā)出的激光的波長鎖定在目標(biāo)氣體的分子的吸收譜線的中心波長處。所述衰蕩光譜測量通道4用于使激光通過被測混合氣體，產(chǎn)生經(jīng)被測混合氣體吸收的衰蕩激光，從衰蕩光譜測量通道4出射的衰蕩激光入射到一個光探測裝置5，該光探測裝置5用于檢測衰蕩激光，產(chǎn)生一個表示該衰蕩激光光強(qiáng)的電信號，或稱為衰蕩光強(qiáng)信號，并將該衰蕩光強(qiáng)信號發(fā)送到一個數(shù)據(jù)處理裝置6。所述數(shù)據(jù)處理裝置6用于對衰蕩光強(qiáng)信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并記錄模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖2為本發(fā)明的利用鎖頻激光進(jìn)行光腔衰蕩以測量氣體組分含量的系統(tǒng)的一個實施例的組成結(jié)構(gòu)示意圖。請參閱圖2，圖I中的鎖定通道2在該實施例中實現(xiàn)為一個調(diào)制裝置21和一個氣體吸收池22，鎖定裝置3實現(xiàn)為鎖定通道探測器31和鎖定控制器32，衰蕩光譜測量通道4實現(xiàn)為光開關(guān)41、鏡組42和光衰蕩腔43，光探測裝置5實現(xiàn)為接收光路探測器51和比較觸發(fā)控制器52。在該實施例中，激光光源I為DFB半導(dǎo)體激光器，激光輸出波長選定為目標(biāo)氣體分子的一條吸收線的中心波長x0。但是由于環(huán)境溫度、電源電流等不可避免地存在漲落，其實際輸出波長會存在達(dá)數(shù)十皮米以上的波動。出射的激光經(jīng)一個光學(xué)分束片被分成兩束，其中一束激光入射到調(diào)制裝置21。調(diào)制裝置21用于對該激光進(jìn)行波長調(diào)制，使其波長在中心波長\附近(幅度約I皮米)作周期性振蕩，調(diào)制頻率一般可為數(shù)十kHz到MHz范圍內(nèi)，并同時輸出一個同步調(diào)制信號(電信號)。該調(diào)制裝置21可以是一個電光調(diào)制器或聲光調(diào)制器。然而，根據(jù)本發(fā)明其他實施方式，該調(diào)制裝置21也可以是一個連接于激光光源I的電源的電流調(diào)制信號源，其通過對激光光源I的電源電流附加一個微小的交流調(diào)制電信號，從而使激光光源I出射的激光波長產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)制。在該實施例中，經(jīng)所述調(diào)制裝置21調(diào)制的激光入射到一個氣體吸收池22，該氣體吸收池22是一個氣體容器，兩端安裝透光的窗片，并且預(yù)先密封有純的目標(biāo)氣體，根據(jù)目標(biāo)氣體不同，選擇合適的氣壓和溫度，例如在本實施例中檢測水汽，則可充入常溫水蒸汽約500Pa,容器長度選為約30cm。入射的激光經(jīng)過該氣體吸收池22后，發(fā)生共振吸收。從氣體吸收池22出射的激光到達(dá)鎖定通道探測器31，該鎖定通道探測器31用于將該激光轉(zhuǎn)換為表示其光強(qiáng)的電信號，在此稱之為參考光強(qiáng)信號。
由鎖定信號探測器31產(chǎn)生的參考光強(qiáng)信號和由調(diào)制裝置21產(chǎn)生的同步調(diào)制信號均被送到鎖定控制器32。由于激光輸出波長在目標(biāo)氣體分子吸收線中心X ^附近作周期振蕩，因此參考光強(qiáng)信號將也產(chǎn)生相應(yīng)的周期振蕩，并具有相位敏感性，鎖定控制器32用于將該參考光強(qiáng)信號對所述同步調(diào)制電信號進(jìn)行解調(diào)，并進(jìn)行比例積分放大得到一個電信號，該電信號反映了激光實際中心波長相對與目標(biāo)氣體分子吸收線中心波長X ^的偏離，因此可作為反饋控制信號。該反饋控制信號返回到所述激光光源1，用于反饋控制所述激光光源1，形成一個反饋回路，從而實現(xiàn)將激光光源I發(fā)出的激光信號的波長鎖定在目標(biāo)氣體的分子的吸收譜線的中心波長X ^處。由激光光源I出射的激光經(jīng)光學(xué)分束片分束后，另一束激光經(jīng)過光開關(guān)41。該光開關(guān)41能夠由一個觸發(fā)信號進(jìn)行觸發(fā)以打開或關(guān)閉，以控制激光通過該光開關(guān)41或阻止其通過該光開關(guān)41。根據(jù)本發(fā)明，所述光開關(guān)為一個高速光開關(guān)，開關(guān)速度需小于I微秒。在該實施例中，所述光開關(guān)41是一個聲光調(diào)制器。當(dāng)光開關(guān)41打開時，激光通過光開關(guān)41后進(jìn)入光衰蕩腔43。在光開關(guān)41與光衰蕩腔43之間還可包括一個光束調(diào)節(jié)裝置，用于接收通過所述光開關(guān)41的激光，并對該激光的光束方向和束徑進(jìn)行調(diào)節(jié)后使其耦合進(jìn)入所述光衰蕩腔43。在該實施例中，該光束調(diào)節(jié)裝置是一個鏡組42，該鏡組42由一個透鏡和一個反射鏡構(gòu)成，經(jīng)調(diào)節(jié)后的激光空間模式和光衰蕩腔43匹配，使得其基橫模光能夠高效率地進(jìn)入光衰蕩腔，而高階橫模被抑制(一般需要達(dá)到10 I以上)。光衰蕩腔是一種光學(xué)諧振腔，其能使入射到其中的激光來回多次反射，在其輸出端產(chǎn)生逐漸衰蕩的激光輸出。根據(jù)本發(fā)明，光衰蕩腔43是一個由高反射率鏡組成的光學(xué)諧振腔，反射鏡的反射率在99. 9%以上。在該實施例中，光衰蕩腔43包括一對反射率達(dá)99. 99%的高反射率平凹鏡，鏡片間距0. 5米，鏡片凹面曲率半徑I米。該光衰蕩腔43腔體密閉，充有被測混合氣體。當(dāng)入射的激光與光衰蕩腔43發(fā)生諧振時，激光可穿過光衰蕩腔43，出射到接收光路探測器51上。接收光路探測器51用于接收由光衰蕩腔43出射的衰蕩激光，將該衰蕩激光轉(zhuǎn)換為表示其光強(qiáng)的電信號，以此稱之為衰蕩光強(qiáng)信號。該衰蕩光強(qiáng)信號分別被送到比較觸發(fā)控制器52和數(shù)據(jù)處理裝置6。比較觸發(fā)控制器52用于比較該衰蕩光強(qiáng)信號的幅度與一個閾值，當(dāng)衰蕩光強(qiáng)信號的幅度超過該預(yù)先設(shè)定的閾值后，產(chǎn)生一個觸發(fā)信號，將該觸發(fā)信號輸入到光開關(guān)41和數(shù)據(jù)處理裝置6。當(dāng)光開關(guān)41接收到該觸發(fā)信號時，迅速關(guān)閉光開關(guān)41，阻止激光通過所述光開關(guān)。另一方面，數(shù)據(jù)處理裝置6接收到比較觸發(fā)控制器52發(fā)出的觸發(fā)信號之后，開始對從接收光路探測器輸入的衰蕩光強(qiáng)信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并記錄模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。在一個預(yù)先設(shè)定的時間延時后(可根據(jù)空腔衰蕩時間Ttl進(jìn)行選定，例如％的5倍左右)，觸發(fā)控制器52將結(jié)束數(shù)據(jù)記錄，并再次打開光開關(guān)41，即完成一次衰蕩事件的測量。依據(jù)數(shù)據(jù)處理裝置6記錄的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果可以計算被測混合氣體中目標(biāo)氣體的含量。具體方法如下首先對該模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行擬合，得到光衰蕩腔43在 充有含目標(biāo)氣體的被測混合氣體時的光腔衰蕩時間T。例如利用單指數(shù)衰減函數(shù)對該結(jié)果進(jìn)行擬合。然后，將充有含目標(biāo)氣體的被測混合氣體的光腔衰蕩時間T和該光衰蕩腔在空腔時的光腔衰蕩時間%(或稱為空腔衰蕩時間)進(jìn)行對比，依據(jù)公式a = (CTr1-G得到被測混合氣體的在中心波長Xci處的吸收率a (\)，并根據(jù)N= a (Xci) Cj5/k進(jìn)一步得到目標(biāo)氣體在光衰蕩腔中的密度。其中線形參數(shù)0以及線強(qiáng)度k分別表示吸收線線寬和吸收線強(qiáng)度，均可根據(jù)光衰蕩腔中的被測混合氣體的溫度、壓力和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(如HITRAN)得到，也可以通過對標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)氣體進(jìn)行測量定標(biāo)的方法來確定。單次測量所需的時間為衰蕩事件過程的記錄時間，一般可設(shè)定在空腔衰蕩時間T ^的5倍左右，T ^由所用光衰蕩腔的鏡片反射率和腔長等決定，一般在數(shù)十微秒以下，因此總測量時間在數(shù)微秒到數(shù)百微秒水平。和現(xiàn)有技術(shù)中需要掃描激光波長多點(diǎn)測量的方法相比，本發(fā)明時間消耗大大減小，測量速度提高。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于測量混合氣體中所含的目標(biāo)氣體的含量的系統(tǒng)，包括用于輸出激光的激光光源(I)，其特征在于，還包括鎖定通道(2)、鎖定裝置(3)、衰蕩光譜測量通道(4)、光探測裝置(5)和數(shù)據(jù)接收處理裝置￠)，其中 所述鎖定通道(2)用于使所述激光通過純的目標(biāo)氣體，產(chǎn)生一個對激光波長敏感的參考光強(qiáng)信號； 所述鎖定裝置(3)用于根據(jù)所述參考光強(qiáng)信號產(chǎn)生一個反饋控制信號，以控制所述激光的波長鎖定于目標(biāo)氣體的分子的吸收譜線的中心波長； 所述衰蕩光譜測量通道(4)用于使所述激光通過所述被測混合氣體，產(chǎn)生經(jīng)該被測混合氣體吸收的衰蕩激光； 所述光探測裝置(5)用于檢測所述衰蕩激光，并產(chǎn)生一個表示該衰蕩激光的光強(qiáng)的衰蕩光強(qiáng)信號； 所述數(shù)據(jù)處理裝置(6)用于對所述衰蕩光強(qiáng)信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并記錄模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，該模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果可用于計算所述目標(biāo)氣體的含量。
2.如權(quán)利要求I所述的用于測量混合氣體中所含的目標(biāo)氣體的含量的系統(tǒng)，其特征在于，所述鎖定通道(2)包括一個調(diào)制裝置(21)和一個氣體吸收池(22)， 所述調(diào)制裝置(21)用于對所述激光光源(I)輸出的激光進(jìn)行波長調(diào)制，使其波長在中心波長附近作周期性振蕩，并將調(diào)制后的激光輸送到所述氣體吸收池(22)，同時產(chǎn)生一個同步調(diào)制信號； 所述氣體吸收池(22)用于容納純的所述目標(biāo)氣體，并使入射的所述調(diào)制后的激光發(fā)生共振吸收。
3.如權(quán)利要求2所述的用于測量混合氣體中所含的目標(biāo)氣體的含量的系統(tǒng)，其特征在于， 所述調(diào)制裝置(21)是連接于激光光源(I)的電源的電流調(diào)制信號源，其通過對激光光源(I)的電源電流附加一個微小的交流調(diào)制電信號，從而使激光光源(I)出射的激光波長產(chǎn)生所述波長調(diào)制。
4.如權(quán)利要求2所述的用于測量混合氣體中所含的目標(biāo)氣體的含量的系統(tǒng)，其特征在于，所述鎖定裝置(3)包括鎖定通道探測器(31)和鎖定控制器(32)， 所述鎖定通道探測器(31)用于接收所述氣體吸收池22輸出的激光，并將該激光轉(zhuǎn)換為表不其光強(qiáng)的參考光強(qiáng)信號； 所述鎖定控制器(32)用于接收所述參考光強(qiáng)信號和同步調(diào)制信號，并將所述參考光強(qiáng)信號對所述同步調(diào)制電信號進(jìn)行解調(diào)后進(jìn)行比例積分放大，得到反映所述激光實際中心波長相對與目標(biāo)氣體分子吸收線中心波長的偏尚的反饋控制信號。
5.如權(quán)利要求4所述的用于測量混合氣體中所含的目標(biāo)氣體的含量的系統(tǒng)，其特征在于，所述衰蕩光譜測量通道(4)包括光開關(guān)(41)和光衰蕩腔(43)， 所述光開關(guān)41由一個觸發(fā)信號進(jìn)行觸發(fā)以打開或關(guān)閉，以控制激光通過該光開關(guān)41或阻止其通過該光開關(guān)41 ； 所述光衰蕩腔43用于使入射到其中的激光來回多次反射，產(chǎn)生逐漸衰蕩的所述衰蕩激光。
6.如權(quán)利要求5所述的用于測量混合氣體中所含的目標(biāo)氣體的含量的系統(tǒng)，其特征在于，在所述光開關(guān)(41)與光衰蕩腔(43)之間還可包括一個光束調(diào)節(jié)裝置，用于接收通過所述光開關(guān)(41)的激光，并對該激光的光束方向和束徑進(jìn)行調(diào)節(jié)后使其耦合進(jìn)入所述光衰蕩腔(43)。
7.如權(quán)利要求6所述的用于測量混合氣體中所含的目標(biāo)氣體的含量的系統(tǒng)，其特征在于，所述光束調(diào)節(jié)裝置是一個鏡組(42)，該鏡組由一個透鏡和一個反射鏡構(gòu)成，經(jīng)調(diào)節(jié)后的激光空間模式與所述光衰蕩腔(43)匹配，使得其基橫模光能夠高效率地進(jìn)入光衰蕩腔(43)，而高階橫模被抑制。
8.如權(quán)利要求5所述的用于測量混合氣體中所含的目標(biāo)氣體的含量的系統(tǒng)，其特征在于，所述光探測裝置(5)包括接收光路探測器(51)和比較觸發(fā)控制器(52)， 所述接收光路探測器(51)用于接收所述衰蕩激光，并將該衰蕩激光轉(zhuǎn)換為表示其光強(qiáng)的衰蕩光強(qiáng)信號； 所述比較觸發(fā)控制器(52)用于比較所述衰蕩光強(qiáng)信號的幅度與一個閾值，當(dāng)衰蕩光強(qiáng)信號的幅度超過該閾值時，產(chǎn)生一個觸發(fā)信號，并將該觸發(fā)信號輸送到所述光開關(guān)(41)和所述數(shù)據(jù)處理裝置(6)； 所述光開關(guān)(41)用于在接收到該觸發(fā)信號時關(guān)閉，并在一個預(yù)先設(shè)定的時間延時后再次打開。
9.如權(quán)利要求5-8中任一項所述的用于測量混合氣體中所含的目標(biāo)氣體的含量的系統(tǒng)，其特征在于，所述計算目標(biāo)氣體的含量的方法為 首先對所述模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行擬合，得到所述光衰蕩腔(43)在充有被測混合氣體時的光腔衰蕩時間T，然后依據(jù)公式a = (c T ) H-(CTtl)-1得到所述被測混合氣體的在中心波長Xci處的吸收率a (Xci),并根據(jù)N= a (A0)小/k得到目標(biāo)氣體在光衰蕩腔中的密度，其中T ^為所述光衰蕩腔(43)在空腔時的光腔衰蕩時間。
10.一種用于測量混合氣體中所含的目標(biāo)氣體的含量的方法，其特征在于，包括如下步驟 使一束激光通過純的所述目標(biāo)氣體，產(chǎn)生一個對激光波長敏感的參考光強(qiáng)信號，根據(jù)所述參考光強(qiáng)信號產(chǎn)生一個反饋控制信號，以控制所述激光的波長鎖定于目標(biāo)氣體的分子的吸收譜線的中心波長； 使所述激光還通過容納于一個光衰蕩腔中的所述被測混合氣體，產(chǎn)生經(jīng)該被測混合氣體吸收的衰蕩激光，并檢測所述衰蕩激光，產(chǎn)生一個表示該衰蕩激光的光強(qiáng)的衰蕩光強(qiáng)信號; 對所述衰蕩光強(qiáng)信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并記錄模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，對所述模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行擬合，得到所述光衰蕩腔(43)在充有被測混合氣體時的光腔衰蕩時間T，然后依據(jù)公式a =(c T r-(c T 0)-!得到所述被測混合氣體的在中心波長入^處的吸收率a (入C1)，并根據(jù)N =a (Atl) $/k得到目標(biāo)氣體的密度，其中T C1該光衰蕩腔在空腔時的光腔衰蕩時間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種于測量混合氣體中所含的目標(biāo)氣體的含量的系統(tǒng)，包括用于輸出激光的激光光源、鎖定通道、鎖定裝置、衰蕩光譜測量通道、光探測裝置和數(shù)據(jù)接收處理裝置，其中鎖定通道用于使激光通過純的目標(biāo)氣體，產(chǎn)生一個對激光波長敏感的參考光強(qiáng)信號；鎖定裝置用于根據(jù)參考光強(qiáng)信號產(chǎn)生一個反饋控制信號，以控制激光的波長鎖定于目標(biāo)氣體的分子的吸收譜線的中心波長；衰蕩光譜測量通道用于使激光通過被測混合氣體，產(chǎn)生經(jīng)被測混合氣體吸收的衰蕩激光；光探測裝置用于檢測衰蕩激光，并產(chǎn)生一個表示衰蕩激光的光強(qiáng)的衰蕩光強(qiáng)信號；數(shù)據(jù)處理裝置用于對衰蕩光強(qiáng)信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并記錄模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果可用于計算目標(biāo)氣體的含量。本發(fā)明能夠大大提高氣體組分含量的測量速度。
文檔編號G01N21/39GK102768198SQ20121023034
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月5日
發(fā)明者劉安雯, 胡水明, 陸燕, 陳兵 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)