一种利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置及方法与流程

本发明属于痕量气体检测领域，具体涉及的是一种利于扫描振镜的多组分气体激光探测装置及方法。本发明尤其适用于开放光路环境下大气痕量气体探测。

背景技术：

可调谐激光吸收光谱技术(tdlas)是高灵敏的痕量气体检测技术，通过单频可调谐激光能够从混合气体成分中鉴别不同的特征吸收，避免光谱干扰，具有很高的灵敏度和分辨率，通过与调制技术和长光程相结合检测灵敏度可达到ppt量级。广泛应用于分子光谱研究、工业过程监测控制、燃烧过程诊断分析、发动机效率和机动车尾气检测、爆炸检测以及大气痕量污染气体监测等。

由于tdlas技术的高选择性特点，单个激光光源只能测量单一的气体，即使在宽调谐范围情况下，最多也只能测量两三种气体成分。因此在多组分气体浓度探测时，通常需要考虑使用多个不同波长的激光光源。而近红外激光光源生产工艺成熟，通常使用尾纤输出的方式，因此在tdlas系统中通常考虑使用光纤合束器的形式进行多个光源合束，实现多组分气体探测。而随着激光光源技术的发展，中红外激光光源覆盖了大量气体的基频吸收带，吸收强度要高于近红外2-3个量级，更适合痕量气体高灵敏探测。但目前中红外激光光源通常采用空间自由光输出的方式，因此当进行同光路多组分气体探测时，在光谱谱线间隔较大时，一般使用镀高反射高透射的合束镜进行合束，而当选取的光谱谱线间隔较小时，无法利用合束镜合束，而且光路调节复杂，容易产生光学干涉进而影响系统检测灵敏度。

技术实现要素：

针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，本发明提供了一种利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置及方法，通过控制扫描振镜的反射镜角度，使不同入射角的激光入射到反射镜后从同一方向出射，再利用优选的开放光路结构，实现多组分痕量气体探测。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置，包括：多个可调谐半导体激光器以及沿着激光光轴依次设置的反射镜组，扫描振镜，角反射镜，探测器；

还包括激光器驱动单元，驱动电机，信号采集处理单元以及控制器；所述控制器与激光器驱动单元、多个可调谐半导体激光器，与驱动电机、扫描振镜，与信号采集处理单元、探测器，分别依次通讯连接；

所述激光器驱动单元驱动控制所述多个可调谐半导体激光器分别向所述反射镜组中对应的反光镜发射多束波长彼此不同的激光，所述反射镜组将多束激光全部反射到所述扫描振镜的反射镜同一位置上，所述控制器控制所述驱动电机驱动旋转调节所述扫描振镜的反射镜的反射角度，使不同入射角的激光在同一方向出射到所述角反射镜上，所述探测器接收所述角反射镜反射回来的光强信息完成光电转换，再经过信号调理被所述信号采集处理单元采集处理反演浓度数据，实现多组分气体同时探测，最终发送给所述控制器存储及显示。

优选地，所述多个可调谐半导体激光器的激光光源均为中远红外激光光源或近红外激光光源。

优选地，所述激光器驱动单元包括温度驱动器和电流驱动器，所述控制器分别通过所述温度驱动器和所述电流驱动器与所述多个可调谐半导体激光器依次通讯连接，通过所述温度驱动器和电流驱动器驱动控制多个激光器的中远红外激光光源或近红外激光光源稳定出光。

优选地，所述控制器根据多束激光不同的入射角角度，通过数模转换器控制所述扫描振镜的驱动电机，调整扫描振镜的反射镜角度，从而使多个激光器的出光角度一致。

优选地，所述控制器根据所述信号采集处理单元采集的光强信息，通过数模转换器修正所述扫描振镜的反射镜角度，对多个激光器的同一出光角度进行调节，使从所述角反射镜反射回的激光光强保持在适合浓度计算反演的范围内，实现光强自适应调节，满足浓度反演要求。

优选地，所述多组分气体激光探测装置为开放光路结构，结合所述角反射镜，可以实现远距离痕量气体探测。

优选地，所述多个可调谐半导体激光器，根据所需探测的目标气体，增加或减少激光器数量。

优选地，本发明采用基于波长调制技术的多组分浓度反演计算，其理论依据如下。

激光吸收光谱技术对痕量气体探测的方法有两种：直接吸收技术和波长调制技术。直接吸收技术主要是以波长扫描的方式，给激光器周期扫描信号改变出光波长，重复扫描过一段波长覆盖所选的气体吸收线。其主要缺点是光强信号容易受到激光器、探测器、电路以及大气湍流等低频噪声的影响，从而导致检测灵敏度降低。为了提高检测灵敏度和信噪比，本发明采用波长可调谐的光谱技术，通过在锯齿扫描信号上叠加高频的正弦调制，将光谱信息在更高频率进行解析，从而抑制长光程远距离传输中湍流等低频噪声的影响。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了如前所述的利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置的探测方法，包括如下步骤：

(一)、激光器驱动单元分别控制多个可调谐半导体激光器，使其稳定出光；

(二)、通过反射镜组对准直后的多个激光束进行调节，使其能全部入射在扫描振镜的反射镜的同一位置上；

(三)、通过控制器外部高精度数模转换器驱动扫描振镜的驱动电机，使扫描振镜的反射镜转动不同的角度，从而使出射激光在同一方向；

(四)、出射后的激光通过角反射镜反射，被接收系统聚集在探测器上，完成光电转换；

(五)、转换后的电流信号通过i-v转换及信号调理电路发送给信号采集处理单元完成浓度反演计算；

(六)、最终通过控制器存储及显示。

上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明的利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置，通过控制扫描振镜的反射镜角度，使不同入射角的激光入射到反射镜后从同一方向出射，实现多个激光光源合束，再结合激光光谱吸收技术、利用优选的开放光路结构，实现多组分痕量气体探测。

2、本发明的利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置，解决了目前使用激光吸收光谱技术进行多组分痕量气体探测时，多个激光光源合束困难的问题，尤其是使用不带光纤尾纤输出方式的中红外光源，以及目标特性气体的吸收谱线间隔不大，无法使用合束镜进行合束的难题。本发明所述的一种利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置，结构简单，调试方便，同时不会由于使用光学镜片造成光学干涉等问题。

3、本发明的利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置，通过扫描振镜的调节装置的构造，在前端采集时，控制器根据多束激光不同的入射角角度，通过数模转换器控制扫描振镜的驱动电机，调整扫描振镜的反射镜角度，从而使多个激光器的出光角度一致。

4、本发明的利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置，通过扫描振镜的调节装置的构造，在前端采集时，控制器根据采集的光强信息，通过数模转换器修正扫描振镜的反射镜角度，对多个激光器的同一出光角度进行调节，使从角反射镜反射回的激光光强保持在适合浓度计算反演的范围内，实现光强自适应调节，满足浓度反演要求，避免了因结构形变导致的光路偏移引起光强波动，造成装置不能正常探测。

5、本发明的利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置，采用开放光路结构，结合所述角反射镜，对目标特性痕量气体进行非接触式远距离探测。

6、本发明的利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置，根据所需探测的目标气体，可以适当增加或减少激光器数量，不只局限于所述的六个激光器。

7、本发明的利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置，在后端处理时，使用基于激光吸收光谱的波长调制技术，采用高频调制，通过数字锁相将光谱信息在更高频率下进行分析，来抑制长光程远距离探测中大气湍流等低频噪声影响。

附图说明

图1是本发明的利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

作为本发明的一种较佳实施方式，如图1所示，本发明提供一种利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置，包括：多个可调谐半导体激光器1、2、3、4、5、6以及沿着激光光轴依次设置的反射镜组7、8、9、10、11、12，扫描振镜13，角反射镜14，探测器15；还包括激光器驱动单元19、20，驱动电机17，信号采集处理单元16以及控制器18；所述控制器18与激光器驱动单元19、20、多个可调谐半导体激光器1、2、3、4、5、6，与驱动电机17、扫描振镜13，与信号采集处理单元16、探测器15，分别依次通讯连接。

如图1所示，所述激光器驱动单元19、20驱动控制所述多个可调谐半导体激光器1、2、3、4、5、6(不限于图1所示的6个)分别向所述反射镜组7、8、9、10、11、12中对应的反光镜(分别与各自的激光器对应)发射多束波长彼此不同的激光，所述反射镜组7、8、9、10、11、12将多束激光全部反射到所述扫描振镜13的反射镜同一位置上，所述控制器18控制所述驱动电机17驱动旋转调节所述扫描振镜13的反射镜的反射角度，使不同入射角的激光在同一方向出射到所述角反射镜14上，所述探测器15接收所述角反射镜14反射回来的光强信息完成光电转换，再经过信号调理被所述信号采集处理单元16采集处理反演浓度数据，实现多组分气体同时探测，最终发送给所述控制器18存储及显示。本发明的利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置，通过控制扫描振镜的反射镜角度，使不同入射角的激光入射到反射镜后从同一方向出射，实现多个激光光源合束，再结合激光光谱吸收技术、利用优选的开放光路结构，实现多组分痕量气体探测。本发明的利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置，解决了目前使用激光吸收光谱技术进行多组分痕量气体探测时，多个激光光源合束困难的问题，尤其是使用不带光纤尾纤输出方式的中红外光源，以及目标特性气体的吸收谱线间隔不大，无法使用合束镜进行合束的难题。本发明所述的一种利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置，结构简单，调试方便，同时不会由于使用光学镜片造成光学干涉等问题。

所述多个可调谐半导体激光器1、2、3、4、5、6的激光光源均为中远红外(3～14um)激光光源或近红外激光光源(0.7～2.6um)，优选中远红外激光光源。所述激光器驱动单元19、20包括温度驱动器19和电流驱动器20，所述控制器18分别通过所述温度驱动器19和所述电流驱动器20与所述多个可调谐半导体激光器1、2、3、4、5、6依次通讯连接，通过所述温度驱动器19和电流驱动器20驱动控制多个激光器的中远红外激光光源或近红外激光光源稳定出光。

在前端采集时，所述控制器18根据多束激光不同的入射角角度，通过数模转换器控制所述扫描振镜13的驱动电机17，调整扫描振镜13的反射镜角度，从而使多个激光器的出光角度一致。

优选地，所述控制器18根据所述信号采集处理单元16采集的光强信息，通过数模转换器修正所述扫描振镜13的反射镜角度，对多个激光器的同一出光角度进行调节，使从所述角反射镜14反射回的激光光强保持在适合浓度计算反演的范围内，实现光强自适应调节，满足浓度反演要求，避免了因结构形变导致的光路偏移引起光强波动，造成装置不能正常探测。

优选地，所述多组分气体激光探测装置为开放光路结构，结合所述角反射镜14，可以实现远距离痕量气体探测。本发明的利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置，采用开放光路结构，结合所述角反射镜，对目标特性痕量气体进行非接触式远距离探测。

优选地，所述多个可调谐半导体激光器，根据所需探测的目标气体，可以适当增加或减少激光器数量，不只局限于所述的六个激光器。

在后端处理时，所述控制器18采用基于激光吸收光谱的波长调制方法，采用高频调制，通过数字锁相将光谱信息在更高频率下进行分析，从而抑制长光程远距离探测中包括大气湍流的低频噪声影响。

本发明的利用扫描振镜的多组分气体激光探测装置的探测方法，包括如下步骤：

一、温度驱动器19和电流驱动器20分别控制多个可调谐半导体激光器1、2、3、4、5、6，使其稳定出光；

二、由于激光器准直封装工艺的差异，并不能保证多个激光器平行出光，因此通过反射镜组7、8、9、10、11、12对准直后的多个激光束进行调节，使其能全部入射在扫描振镜13的反射镜的同一位置上；

三、通过控制器18外部数模转换器驱动扫描振镜13的驱动电机17，使扫描振镜13的反射镜转动不同的角度，从而使出射激光在同一方向；

四、出射后的激光通过角反射镜14反射，被接收系统聚集在探测器15上，完成光电转换；

五、转换后的电流信号通过i-v转换及信号调理电路发送给信号采集处理单元16完成浓度反演计算；

六、最终通过控制器18存储及显示。

本发明基于激光吸收光谱技术，结合扫描振镜系统，通过控制扫描振镜的反射镜角度，使不同入射角的激光从同一出射角方向出光，利用开放光路结构，接收角反射镜反射回的激光，对接收光进行处理及浓度反演，实现多组分气体同时探测。此外，通过采集接收的光强信息，利用高精度数模转换器控制振镜电机，对扫描振镜的反射镜角度进行修正，保证装置接收光强稳定。本发明结构简单，可实现大范围开放光路环境下多组分大气环境痕量气体探测。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。