CN108051400A - 一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测系统及方法，属于微量气体检测技术领域。该系统包括光声激发光源、光调制器、光声池、光纤传声器、宽带扫描激光光源、光纤环形器、高速波长查询模块、锁相环、方波信号发生器、数字信号处理器和计算机。本发明对宽带扫描激光光源和高速波长查询模块进行同步波长扫描控制和同步光谱采样控制，将基于光纤扫描激光干涉仪的法布里‑珀罗腔长高速同步解调技术与锁相放大技术结合，实现对微弱光声信号的高灵敏与高稳定探测。本发明能够大幅度提高光声光谱微量气体检测的精度和极限灵敏度，为光声光谱微量气体检测提供了一种极具竞争力的技术方案。
Description
技术领域
本发明属于微量气体检测技术领域，涉及一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测系统及方法。
背景技术
光声光谱微量气体检测技术以其具有的高灵敏度、小采样体积等显著优势，已在环境污染气体监测、变压器油中溶解气分析和煤矿易燃易爆气体监测等领域中展现出广阔的应用前景。
在光声光谱测量中，气室中的气体分子吸收光能发生无辐射跃迁产生热量变化，引起气体振动产生声波。对于极低浓度微量气体检测，光声信号通常仅有微帕量级。根据光声光谱学的原理，光声测量的灵敏度正比于声波探测器的灵敏度。为提高系统检测极限，文献Wang Q,Wang J,Li L,et al.An all-optical photoacoustic spectrometer fortrace gas detection[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2011,153(1):214-218设计了一种基于光纤法布里-珀罗干涉仪的小型化传声器，并将其应用于光声光谱微量乙炔气体测量。声波敏感膜片的内反射面和光纤端面之间的空气间隙构成法布里-珀罗腔，声波作用在膜片表面使腔长产生周期性变化。该方案采用强度解调法，当探测激光的中心波长锁定在Q点且声波强度较小时，法布里-珀罗干涉仪工作在线性区，即输出光强随声波作用发生周期性变化。光探测器将光强度信号转换为电信号后，输入到锁相放大器，提高光声信号检测的信噪比。然而，温度等环境因素会引起腔长的漂移，为保证解调系统始终处于线性工作区，激光波长必须随之动态调整，增加了系统的复杂程度。此外，这种强度解调法普遍存在易受光源功率波动和光路损耗影响而产生的测量误差增大等问题。文献Zhang Y,Shibru H,Cooper K L,et al.Miniature fiber-optic multicavity Fabry–Perotinterferometric biosensor[J].Optics letters,2005,30(9):1021-1023采用基于波长查询仪的扫描激光干涉型解调法对法布里-珀罗腔长进行解调，这种基于光谱测量的相位解调算法不受光源功率波动和光路损耗的影响，可对光纤法布里-珀罗传感器进行高精度和高稳定性测量。然而，目前的波长查询仪不能与锁相放大器进行匹配，无法应用于光声光谱微弱信号探测中。因而，设计一种基于光纤法布里-珀罗传声器的高信噪比、高稳定的光声锁相探测系统在光声光谱微量气体检测中具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于光声光谱的扫描激光干涉型光纤声波锁相探测系统及方法，旨在解决基于光纤法布里-珀罗传声器的全光学光声光谱仪中存在的光声信号解调稳定性较差和精度较低等问题，进一步提高微量气体探测的检测灵敏度，为光声光谱在微量气体检测中的应用拓展更大的空间。
本发明的原理如下：将基于光纤扫描激光干涉仪的法布里-珀罗腔长绝对测量技术与锁相放大技术结合，实现对微弱光声信号的高灵敏、高稳定和大动态范围探测。光声池中待测气体分子被激发产生的声波作用于光纤传声器使法布里-珀罗腔长产生周期性变化，扫描激光干涉产生的光频域谱的频率和相位随之变化，对扫描激光干涉谱的快速腔长解调即可恢复出声波信号。锁相环产生高频触发信号对高速波长查询模块进行同步采样控制，实现法布里-珀罗腔长解调信号的频率与光调制频率完全相同；数字信号处理器将法布里-珀罗腔长测量值与同频率的参考信号进行互相关运算，实现锁相放大功能，提高光声信号检测的信噪比。
本发明的技术方案：
一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测系统，包括光声激发光源1、光调制器2、光声池3、光纤传声器4、宽带扫描激光光源5、光纤环形器6、高速波长查询模块7、锁相环8、方波信号发生器9、数字信号处理器10和计算机11；
所述的光声激发光源1与光声池3之间设置光调制器2，光声激发光源1发出的激发光经光调制器2调制后入射到光声池3；所述的光纤传声器4安装在光声池3上，用于探测光声池3内气体分子吸收产生的声波信号；所述的光调制器2的输出方波信号传输至锁相环8，所述的锁相环8的输出信号分别输入到方波信号发生器9和数字信号处理器10；所述的数字信号处理器10为锁相环8提供反馈信号；所述的数字信号处理器10控制方波信号发生器9产生的方波信号分别传输至宽带扫描激光光源5和高速波长查询模块7；所述的宽带扫描激光光源5发射的宽带扫描激光经光纤环形器6后入射到光纤传声器4；所述的光纤传声器4的反射光再经光纤环形器6入射到高速波长查询模块7；所述的数字信号处理器10读取高速波长查询模块7的光谱数据后，实现锁相放大功能；所述的计算机11与数字信号处理器10相连，用于设置数字信号处理器10的工作参数并对数字信号处理器10输出的光声信号测量幅值进行采集、处理和显示。
一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测方法，将基于光纤扫描激光干涉仪的法布里-珀罗腔长高速同步解调技术与锁相放大技术结合，实现对微弱光声信号的高灵敏度与高稳定性探测；
具体步骤如下：
首先光调制器2对来自光声激发光源1的激发光进行强度调制后，入射到光声池3中；光声池3中的气体分子吸收光能后发生无辐射跃迁，跃迁产生的热能使气体发生周期性运动并形成声波；然后声波作用于光纤传声器4，使法布里-珀罗腔长随之发生周期性变化；同时，锁相环8对光调制器2输出的方波信号进行相位锁定，产生同频信号与倍频信号，其中同频信号输入到数字信号处理器10作为锁相放大器的参考信号，倍频信号则为方波信号发生器9提供主时钟，数字信号处理器10控制方波信号发生器9产生的TTL触发信号分别对宽带扫描激光光源5和高速波长查询模块7进行同步波长扫描控制和同步光谱采样控制；宽带扫描激光光源5发射的宽带波长扫描激光经光纤环形器6后入射到光纤传声器4；从光纤传声器4反射的干涉光再经光纤环形器6入射到高速波长查询模块7，高速波长查询模块7采集入射光的光谱信号；数字信号处理器10通过高速通信接口读取高速波长查询模块7的光谱数据后，对光谱进行滤波和光谱域-频域变换等预处理后采用快速相位解调法，实现法布里-珀罗腔长的动态测量；进而，数字信号处理器10将法布里-珀罗腔长测量值与同频率的参考信号进行互相关运算，实现锁相放大功能，提高光声信号检测的信噪比；计算机11设置数字信号处理器10的工作参数，最后计算机11对数字信号处理器10输出的光声信号测量值进行采集、处理和显示。
所述的光声激发光源1是用于气体检测的窄线宽激光器。
所述的光调制器2是光学斩波器。
所述的光声池3是非共振光声池或者一阶纵向共振光声池。
所述的光纤传声器4是基于光纤法布里-珀罗干涉仪结构的膜片式传声器，对低频声波信号具有较高响应度。
所述的宽带扫描激光光源5是一种扫描激光光源，谱宽大于20nm。
所述的高速波长查询模块7是一种具有光波长高精度和快速标定功能的模块，工作于外部触发同步采样模式，采样频率是光调制频率的M/N倍，其中M和N是整数，且M/N大于2。
所述的方波信号发生器9产生占空比为50％的TTL信号，输出频率范围10Hz-200Hz。
所述的宽带扫描激光光源5的波长扫描范围为1528-1563nm，扫描速度为200Hz。
所述的高速波长查询模块7的采样速率为200Hz，光谱测量范围为1528nm-1563nm。
本发明的有益效果：基于光纤扫描激光干涉仪的法布里-珀罗腔长动态测量技术采用区别于强度解调的相位解调法，可对低频光声信号进行高精度和高稳定性探测。通过对高速光谱采样的同步控制，结合锁相放大技术，能够大幅度提高光声光谱微量气体检测的精度和极限灵敏度。本发明为光声光谱超低浓度微量气体检测提供了一种极具竞争力的技术方案。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是高速波长查询模块同步测量的法布里-珀罗干涉光谱图。
图3是扫描激光干涉仪同步测量的光声信号。
图4是信号处理器中锁相放大模块输出的光声信号幅值。
图中：1光声激发光源；2光调制器；3光声池；4光纤传声器；
5宽带扫描激光光源；6光纤环形器；7高速波长查询模块；
8锁相环；9方波信号发生器；10数字信号处理器；11计算机。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
本发明的系统结构示意图如图1所示，主要包括光声激发光源1、光调制器2、光声池3、光纤传声器4、宽带扫描激光光源5、光纤环形器6、高速波长查询模块7、锁相环8、方波信号发生器9、数字信号处理器10和计算机11。
光声激发光源1经光调制器2进行光强度调制后，入射到光声池3中；光声池3中的气体分子吸收光能后，发生无辐射跃迁产生的热能使气体发生周期性运动并形成声波；声压作用于光纤传声器4的膜片表面，使法布里-珀罗腔长发生周期性变化；锁相环8对光调制器2输出的方波信号进行相位锁定，产生同频信号与倍频信号，其中同频信号输入到数字信号处理器10作为锁相放大器的参考信号，倍频信号则为方波信号发生器9提供主时钟，数字信号处理器10控制方波信号发生器9产生的TTL触发信号分别对宽带扫描激光光源5和高速波长查询模块7进行同步波长扫描控制和同步光谱采样控制；宽带扫描激光光源5发射的宽带扫描激光经光纤环形器6后入射到光纤传声器4；从光纤传声器4反射的干涉光再经光纤环形器6入射到高速波长查询模块7，高速波长查询模块7采集法布里-珀罗干涉光谱；数字信号处理器10通过高速通信接口读取高速波长查询模块7的光谱数据后，对光谱进行滤波和光谱域-频域变换等预处理后采用快速相位解调法，实现法布里-珀罗腔长的动态绝对测量；数字信号处理器10将法布里-珀罗腔长测量值与同频率的参考信号进行互相关运算，实现锁相放大功能，提高光声信号检测的信噪比。计算机11设置数字信号处理器10的工作参数，并采集数字信号处理器10输出的光声信号测量幅值后做进一步的信号处理并显示。
其中，光声激发光源1是用于气体检测的窄线宽激光器。光调制器2是光学斩波器。光声池3是非共振光声池或者一阶纵向共振光声池。方波信号发生器9产生占空比为50％的TTL信号，输出频率范围10Hz-200Hz。
光纤传声器4是基于光纤法布里-珀罗干涉仪结构的膜片式传声器，对低频声波信号具有较高响应度。宽带扫描激光光源5的波长扫描范围为1528-1563nm，最高扫描速度为200Hz。高速波长查询模块7是近红外高速波长查询模块，最高采样速率为200Hz，光谱测量范围为1528nm-1563nm。
图2是高速波长查询模块同步测量的法布里-珀罗干涉光谱图。通过高速相位解调法计算出法布里-珀罗腔的静态长度约600μm。
图3是扫描激光干涉仪同步测量的光声信号。斩波频率设置为20Hz，波长扫描和查询频率设置为160Hz。光声池中低浓度乙炔气体分子吸收强度调制激发光后产生光声信号，声压作用使腔长发生变化，扫描激光干涉仪解调腔长值并做带通滤波处理。
图4是信号处理器中锁相放大模块输出的光声信号幅值。扫描激光干涉仪解调的腔长经锁相放大后，得到高信噪比的光声信号幅值。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测系统，其特征在于，包括光声激发光源(1)、光调制器(2)、光声池(3)、光纤传声器(4)、宽带扫描激光光源(5)、光纤环形器(6)、高速波长查询模块(7)、锁相环(8)、方波信号发生器(9)、数字信号处理器(10)和计算机(11)；
所述的光声激发光源(1)与光声池(3)之间设置光调制器(2)，光声激发光源(1)发出的激发光经光调制器(2)调制后入射到光声池(3)；所述的光纤传声器(4)安装在光声池(3)上，用于探测光声池(3)内气体分子吸收产生的声波信号；所述的光调制器(2)的输出方波信号传输至锁相环(8)，所述的锁相环(8)的输出信号分别输入到方波信号发生器(9)和数字信号处理器(10)；所述的数字信号处理器(10)为锁相环(8)提供反馈信号；所述的数字信号处理器(10)控制方波信号发生器(9)产生的方波信号分别传输至宽带扫描激光光源(5)和高速波长查询模块(7)；所述的宽带扫描激光光源(5)发射的宽带扫描激光经光纤环形器(6)后入射到光纤传声器(4)；所述的光纤传声器(4)的反射光再经光纤环形器(6)入射到高速波长查询模块(7)；所述的数字信号处理器(10)读取高速波长查询模块(7)的光谱数据后，实现锁相放大功能；所述的计算机(11)与数字信号处理器(10)相连，用于设置数字信号处理器(10)的工作参数并对数字信号处理器(10)输出的光声信号测量幅值进行采集、处理和显示。
2.一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测方法，其特征在于，将基于光纤扫描激光干涉仪的法布里-珀罗腔长高速同步解调技术与锁相放大技术结合，实现对微弱光声信号的高灵敏度与高稳定性探测；
具体步骤如下：
首先光调制器(2)对来自光声激发光源(1)的激发光进行强度调制后，入射到光声池(3)中；光声池(3)中的气体分子吸收光能后发生无辐射跃迁，跃迁产生的热能使气体发生周期性运动并形成声波；然后声波作用于光纤传声器(4)，使法布里-珀罗腔长随之发生周期性变化；同时，锁相环(8)对光调制器(2)输出的方波信号进行相位锁定，产生同频信号与倍频信号，其中同频信号输入到数字信号处理器(10)作为锁相放大器的参考信号，倍频信号则为方波信号发生器(9)提供主时钟，数字信号处理器(10)控制方波信号发生器(9)产生的TTL触发信号分别对宽带扫描激光光源(5)和高速波长查询模块(7)进行同步波长扫描控制和同步光谱采样控制；宽带扫描激光光源(5)发射的宽带波长扫描激光经光纤环形器(6)后入射到光纤传声器(4)；从光纤传声器(4)反射的干涉光再经光纤环形器(6)入射到高速波长查询模块(7)，高速波长查询模块(7)采集入射光的光谱信号；数字信号处理器(10)通过高速通信接口读取高速波长查询模块(7)的光谱数据后，对光谱进行滤波和光谱域-频域变换等预处理后采用快速相位解调法，实现法布里-珀罗腔长的动态测量；进而，数字信号处理器(10)将法布里-珀罗腔长测量值与同频率的参考信号进行互相关运算，实现锁相放大功能，提高光声信号检测的信噪比；计算机(11)设置数字信号处理器(10)的工作参数，最后计算机(11)对数字信号处理器(10)输出的光声信号测量值进行采集、处理和显示。
3.根据权利要求2所述的一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测方法，其特征在于，所述的光声激发光源(1)是用于气体检测的窄线宽激光器；所述的光调制器(2)是光学斩波器；所述的光声池(3)是非共振光声池或者一阶纵向共振光声池；所述的光纤传声器(4)是基于光纤法布里-珀罗干涉仪结构的膜片式传声器，对低频声波信号具有较高响应度；所述的方波信号发生器(9)产生占空比为50％的TTL信号，输出频率范围10Hz-200Hz。
4.根据权利要求2或3所述的一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测系统，其特征在于，所述的宽带扫描激光光源(5)是一种扫描激光光源，谱宽大于20nm。
5.根据权利要求2或3所述的一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测系统，其特征在于，所述的高速波长查询模块(7)是一种具有光波长高精度和快速标定功能的模块，工作于外部触发同步采样模式，采样频率是光调制频率的M/N倍，其中M和N是整数，且M/N大于2。
6.根据权利要求4所述的一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测系统，其特征在于，所述的高速波长查询模块(7)是一种具有光波长高精度和快速标定功能的模块，工作于外部触发同步采样模式，采样频率是光调制频率的M/N倍，其中M和N是整数，且M/N大于2；所述的高速波长查询模块(7)的采样速率为200Hz，光谱测量范围为1528nm-1563nm。
7.根据权利要求2、3或6所述的一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测系统，其特征在于，所述的宽带扫描激光光源(5)的波长扫描范围为1528-1563nm，扫描速度为200Hz。
8.根据权利要求4所述的一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测系统，其特征在于，所述的宽带扫描激光光源(5)的波长扫描范围为1528-1563nm，扫描速度为200Hz。
9.根据权利要求5所述的一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测系统，其特征在于，所述的宽带扫描激光光源(5)的波长扫描范围为1528-1563nm，扫描速度为200Hz。
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