一種提高腔體衰蕩時間測量精度的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種提高腔體衰蕩時間測量精度的方法，包括以下步驟：開啟激光器，并通過波長反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)將波長鎖定到待測氣體的特征吸收譜線范圍內(nèi)；調(diào)整諧振腔長度，并監(jiān)測探測器輸出信號幅度，直到探測器輸出信號幅度達(dá)到設(shè)定的上閾值，停止調(diào)整腔長，并關(guān)閉激光器；當(dāng)探測器輸出信號幅度再次為設(shè)定上閾值時，計時開始；當(dāng)探測器輸出信號幅度達(dá)到設(shè)定下閾值時，計時終止；計算空腔自由衰蕩時間常數(shù)；抽入待測氣體，重復(fù)上述步驟，獲得含有待測氣體的自由衰蕩時間常數(shù)；根據(jù)測得的空腔和含有待測氣體的自由衰蕩時間常數(shù)等數(shù)據(jù)，計算腔內(nèi)氣體濃度。本發(fā)明使用電流快速關(guān)斷半導(dǎo)體激光器，減輕了拖尾現(xiàn)象對測量數(shù)據(jù)的影響。
【專利說明】一種提高腔體衰蕩時間測量精度的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及痕量氣體探測皮秒時間間隔測量領(lǐng)域，特別涉及一種提高腔體衰蕩時 間測量精度的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 腔體衰蕩光譜技術(shù)（CRDS，，CavityRing-downSpectrum)是一種近二十年發(fā)展起 來的痕量氣體探測技術(shù)，其核心技術(shù)是由超高反射率反射鏡組成的諧振腔，窄線寬激光器 及波長鎖定技術(shù)和精密時間間隔測量技術(shù)。在測量痕量氣體、微量元素的同位素含量方面 有非常多的優(yōu)勢，比如測量數(shù)據(jù)與激光器功率波動無關(guān)、不需要標(biāo)準(zhǔn)樣品氣體、測量精度極 高、能完成實(shí)時測量、長時間無需校準(zhǔn)、野外無人值守測量等。
[0003] 由于腔體衰蕩光譜技術(shù)測量精度高，對鏡面反射率和時間測量精度要求也非常 高。如附表一所示，在腔長41cm，鏡面反射率為0. 9999,線型函數(shù)為5. 13及室溫常壓下，要 分辨30ppbv的甲烷氣體含量時，時間測量精度為4. 5ns;而當(dāng)氣體濃度分辨率為Ippbv時， 時間測量精度為〇. 15ns。在腔內(nèi)鏡面反射率不能提高的前提下，時間測量精度從4. 5ns提 高到0. 15ns，這對時間測量系統(tǒng)提出了極高的要求。本發(fā)明正是針對這一情況，從衰蕩時間 起點(diǎn)的精確定位和衰蕩時間間隔的精確測量兩個方面來提高時間測量的精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)問題，提供一種提高腔體衰蕩時間測量精度的方 法。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下：
[0006] 一種提高腔體衰蕩時間測量精度的方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟一、開啟激光器，并通過波長反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)將波長鎖定到待測氣體的特征吸 收譜線范圍內(nèi)；
[0008] 步驟二、調(diào)整諧振腔長度，并監(jiān)測探測器輸出信號幅度；
[0009] 步驟三、重復(fù)步驟二，直到探測器輸出信號幅度達(dá)到設(shè)定的上閾值，停止調(diào)整腔 長，并關(guān)閉激光器；
[0010] 步驟四、諧振腔不再有能量輸入，進(jìn)入自由衰蕩階段，能量逐漸衰減，當(dāng)探測器輸 出信號幅度再次為設(shè)定上閾值時，計時開始；
[0011] 步驟五、自由衰蕩繼續(xù)進(jìn)行，能量進(jìn)一步衰減，當(dāng)探測器輸出信號幅度達(dá)到設(shè)定下 閾值時，計時終止，認(rèn)為衰蕩結(jié)束；
[0012] 步驟六、計算空腔自由衰蕩時間常數(shù)；
[0013] 步驟七、抽入待測氣體，重復(fù)步驟一至六，獲得含有待測氣體的自由衰蕩時間常 數(shù)；
[0014] 步驟八、根據(jù)測得的空腔和含有待測氣體的自由衰蕩時間常數(shù)等數(shù)據(jù)，計算腔內(nèi) 氣體濃度。
[0015] 本發(fā)明具有以下的有益效果：
[0016] 本發(fā)明的提高腔體衰蕩時間測量精度的方法，使用電流快速關(guān)斷半導(dǎo)體激光器， 減輕了拖尾現(xiàn)象對測量數(shù)據(jù)的影響。
[0017] 本發(fā)明的提高腔體衰蕩時間測量精度的方法，通過高精度DAC精確設(shè)定上下閾 值，減小了 ADC連續(xù)采樣判斷所引起的測量誤差，更重要的是通過雙閾值設(shè)定，去除了關(guān)閉 激光器過程中光能量輸入對測量的影響。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0019] 圖1為系統(tǒng)工作原理示意圖。
[0020] 圖2為腔內(nèi)光強(qiáng)衰蕩曲線示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 本發(fā)明的發(fā)明思想為：測量時間間隔時，有很多因素導(dǎo)致測量精度的下降，其中最 重要的一點(diǎn)是起始時刻的定位精度。本發(fā)明正是針對這一問題，從兩個方面提高對起始時 刻的定位精度，進(jìn)而提高腔體衰蕩光譜測量中時間間隔的測量精度。
[0022] 具體的說，本發(fā)明的提高腔體衰蕩時間測量精度的方法，包括以下步驟：
[0023] 開啟激光器，并通過波長反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)將波長鎖定到待測氣體的特征吸收譜線范 圍內(nèi)；
[0024] 調(diào)整諧振腔長度，并監(jiān)測探測器輸出信號幅度，直到探測器輸出信號幅度達(dá)到設(shè) 定的上閾值，停止調(diào)整腔長，并關(guān)閉激光器；
[0025] 當(dāng)探測器輸出信號幅度再次為設(shè)定上閾值時，計時開始；
[0026] 當(dāng)探測器輸出信號幅度達(dá)到設(shè)定下閾值時，計時終止；
[0027] 計算空腔自由衰蕩時間常數(shù)；
[0028] 抽入待測氣體，重復(fù)上述步驟，獲得含有待測氣體的自由衰蕩時間常數(shù)；
[0029] 根據(jù)測得的空腔和含有待測氣體的自由衰蕩時間常數(shù)等數(shù)據(jù)，計算腔內(nèi)氣體濃 度。
[0030] 下面結(jié)合附圖1和附圖2具體說明本發(fā)明的步驟實(shí)現(xiàn)。
[0031] 一種提高腔體衰蕩時間測量精度的方法，包括以下步驟：
[0032] 步驟一、設(shè)備加電，開啟激光器2,控制器101通過溫度驅(qū)動102和電流驅(qū)動103調(diào) 節(jié)激光器2的波長，并用波長監(jiān)測器（圖中未給出）監(jiān)測波長變化，并將波長鎖定在氣體特 征吸收譜線范圍內(nèi)；
[0033] 步驟二、通過腔長調(diào)節(jié)單元（圖中未給出）調(diào)整諧振腔3的長度，并用探測器4監(jiān) 測諧振腔3出射光強(qiáng)；
[0034] 步驟三、重復(fù)步驟二，直到探測器4輸出的信號幅度達(dá)到設(shè)定的上閾值Vl(附圖2 中的tl時刻），停止調(diào)整腔長，并通過電流驅(qū)動103關(guān)閉激光器2;
[0035] 步驟四、諧振腔3不再有能量輸入，進(jìn)入自由衰蕩階段，能量逐漸衰減，當(dāng)探測器4 輸出信號幅度再次為設(shè)定上閾值Vl(附圖2中的t2時刻），計時開始；
[0036] 步驟五、自由衰蕩繼續(xù)進(jìn)行，能量進(jìn)一步衰減，當(dāng)探測器4輸出信號幅度達(dá)到設(shè)定 下閾值V2時（附圖2中t3時刻），計時停止，認(rèn)為衰蕩結(jié)束；
[0037] 步驟六、比較器5和時間測量模塊6,通過t2到t3間的時間間隔長度，計算空腔自 由衰蕩時間常數(shù)；
[0038] 步驟七、抽入待測氣體，重復(fù)步驟一至六，獲得含有待測氣體的自由衰蕩時間常 數(shù)；
[0039] 步驟八、根據(jù)測得的空腔和含有待測氣體的自由衰蕩時間常數(shù)等數(shù)據(jù)，計算腔內(nèi) 氣體濃度。
[0040] 腔體衰蕩光譜測量過程如下：
[0041] 首先開啟激光器，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)將激光器波長調(diào)節(jié)到氣體的特征吸收譜線內(nèi)，然 后鎖定波長，調(diào)整諧振腔長度，當(dāng)光束在腔內(nèi)諧振使能量增加到設(shè)定上閾值時關(guān)閉激光器， 這時腔內(nèi)不再有能量輸入，進(jìn)入衰蕩階段，直到腔內(nèi)能量衰減到設(shè)定下閾值，衰蕩過程結(jié) 束。通過測量能量從上閾值衰減到下閾值間的時間間隔，可以計算得出衰蕩時間常數(shù)，從而 計算腔內(nèi)待測氣體的濃度。從上述工作過程可以看出兩點(diǎn)：一、當(dāng)腔內(nèi)能量積累到設(shè)定上閾 值時，激光器的關(guān)閉速度將影響起始時刻的定位精度；二、衰蕩時間間隔越長，則時間測量 模塊自身測量誤差對測量精度的影響越小。
[0042] 在腔體衰蕩光譜中使用的激光器是半導(dǎo)體激光器，可以通過溫度和驅(qū)動電流兩種 方式調(diào)節(jié)激光器波長，由于溫度變化速率相對緩慢很多，采用調(diào)整電流的方式，將激光器波 長迅速移出特征吸收譜線范圍，相當(dāng)于關(guān)閉了激光器，對于并行DAC外加驅(qū)動電路產(chǎn)生的 恒流源，這一過程在30ns內(nèi)就可以完成。即使是這么短的時間，對于腔體衰蕩光譜測量技 術(shù)來說仍然難以接受，由表1可以證實(shí)。如果選用腔內(nèi)能量到達(dá)上閾值的時刻作為起始時 亥IJ，在激光器關(guān)閉過程中，腔內(nèi)能量仍然在快速增加，因此在腔內(nèi)能量到達(dá)上閾值后，關(guān)閉 激光器，當(dāng)腔內(nèi)能量再次下降到上閾值時，計時開始，見附圖2。通過高精度的DAC輸出電壓 為上下閾值比較電平，超高速比較器產(chǎn)生比較輸出，這時可以精確給出上下閾值之間的衰 蕩時間長度。
[0043] 表1.測量時間精度和氣體濃度間的關(guān)系表
[0044]

【權(quán)利要求】
1. 一種提高腔體衰蕩時間測量精度的方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一、開啟激光器，并通過波長反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)將波長鎖定到待測氣體的特征吸收譜 線范圍內(nèi)； 步驟二、調(diào)整諧振腔長度，并監(jiān)測探測器輸出信號幅度； 步驟三、重復(fù)步驟二，直到探測器輸出信號幅度達(dá)到設(shè)定的上閾值，停止調(diào)整腔長，并 關(guān)閉激光器； 步驟四、諧振腔不再有能量輸入，進(jìn)入自由衰蕩階段，能量逐漸衰減，當(dāng)探測器輸出信 號幅度再次為設(shè)定上閾值時，計時開始； 步驟五、自由衰蕩繼續(xù)進(jìn)行，能量進(jìn)一步衰減，當(dāng)探測器輸出信號幅度達(dá)到設(shè)定下閾值 時，計時終止，認(rèn)為衰蕩結(jié)束； 步驟六、計算空腔自由衰蕩時間常數(shù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的提高腔體衰蕩時間測量精度的方法，其特征在于，在步驟六之 后還包括： 步驟七、抽入待測氣體，重復(fù)步驟一至六，獲得含有待測氣體的自由衰蕩時間常數(shù)。
3. 如權(quán)利要求2所述的提高腔體衰蕩時間測量精度的方法，其特征在于，在步驟七之 后還包括： 步驟八、根據(jù)測得的空腔和含有待測氣體的自由衰蕩時間常數(shù)等數(shù)據(jù)，計算腔內(nèi)氣體 濃度。
【文檔編號】G01N21/31GK104515742SQ201410789135
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月17日
【發(fā)明者】朱小明, 王曉東, 李丙玉, 顏昌翔 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所