1.一种基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置,其特征在于,该基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置包括信号发生器(1)、dfb激光器(2)、第一光纤法兰盘(3)、第一光纤耦合器(4)、第一成像透镜(5)、第二成像透镜(7)、光阑(8)、第三成像透镜(9)、光纤准直器(10)、第二光纤耦合器(11)、第二光纤法兰盘(12)、光电探测器(13)、数据采集卡(14)和计算机(15);
所述的信号发生器(1)产生的锯齿信号加载在dfb激光器(2)上,对dfb激光器(2)进行频率或波长调制,控制dfb激光器(2)的驱动和温控,使激光光束的波长在线性输出的范围内只存在一个气体吸收峰;从dfb激光器(2)出来的激光光束经过第一光纤法兰盘(3)进入第一光纤耦合器(4)被分成两路光,一路光经过第一成像透镜(5)的准直,发射到硬目标(6)上,作为信号光,另一路光作为本振光;所述的信号光被硬目标(6)散射,所得的散射光信号依次经过第二成像透镜(7)、光阑(8)和第三成像透镜(9)后变成平行光;所述的光阑(8)位于第二成像透镜(7)的后焦距处;所述的光阑(8)和第三成像透镜(9)之间的距离是第三成像透镜(9)的前焦距;准直之后的平行光经过光纤准直器(10)接入第二光纤耦合器(11)的一个输入端口;所述的本振光经过第二光纤法兰盘(12)接入到第二光纤耦合器(11)的另一个输入端口;所述的平行光和本振光在第二光纤耦合器(11)中发生干涉,产生的相干光由第二光纤耦合器(11)的输出端输出到光电探测器(13);所述的光电探测器(13)检测拍频信号,其输出端和数据采集卡(14)的信号采集输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置,其特征在于,所述的dfb激光器(2)发出的激光为调频激光光束,包括dfb激光器芯片、电流驱动和温控装置,dfb激光器芯片的工作波长位于待测气体吸收峰附近,线宽优于10mhz。
3.根据权利要求1或2所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置,其特征在于,所述的第一光纤耦合器(4)的分光比为95:5,其中输出信号光那一端为通95%的光,输出本振光那一端为通5%的光。
4.根据权利要求1或2所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置,其特征在于,所述的第二光纤耦合器(11)的分光比为50:50。
5.根据权利要求3所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置,其特征在于,所述的第二光纤耦合器(11)的分光比为50:50。
6.根据权利要求1、2或5所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置,其特征在于,
所述的第一成像透镜(5)焦距为15mm,口径为12.7mm;
所述的第二成像透镜(7)焦距为175mm,口径为50mm;
所述的第三成像透镜(9)焦距为15mm,口径为12.7mm。
7.根据权利要求3所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置,其特征在于,
所述的第一成像透镜(5)焦距为15mm,口径为12.7mm;
所述的第二成像透镜(7)焦距为175mm,口径为50mm;
所述的第三成像透镜(9)焦距为15mm,口径为12.7mm。
8.根据权利要求4所述的基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测装置,其特征在于,
所述的第一成像透镜(5)焦距为15mm,口径为12.7mm;
所述的第二成像透镜(7)焦距为175mm,口径为50mm;
所述的第三成像透镜(9)焦距为15mm,口径为12.7mm。
9.一种基于相干探测方法的光纤气体浓度遥感探测方法,其特征在于,步骤如下:
a、信号发生器(1)产生锯齿波,传输到dfb激光器(2)的驱动,使dfb激光器(2)发出调频激光束,同时数据采集卡(14)接收到触发信号,准备开始数据采集;dfb激光器(2)的调频周期为t,调频范围为δv;
b、调频激光束经过第一光纤法兰盘(3),进入第一光纤耦合器(4)按照95:5比例被分成两路光,占比95%的是信号光,占比5%的是本振光;
c、信号光经过第一成像透镜(5)的准直后出射,在经过目标气体之后打在硬目标(6)上;硬目标(6)将信号光散射后,被第二成像透镜(7)、孔径光阑(8)、第三成像透镜(9)接收,在经过光纤准直器(10)准直之后进入第二光纤耦合器(11)中;
d、本振光经过第二光纤法兰盘(12)进入第二光纤耦合器(11)中;信号光和本振光在第二光纤耦合器(11)相干;
e、由第二光纤耦合器(11)输出的信号被光电探测器(12)接收;
f、光电探测器(12)将接收到的拍频信号传输给数据采集卡(14)采集;
g、计算机(15)将数据采集卡(14)采集到的拍频信号进行傅里叶变换;在频域信号上,获得拍频信号频率的大小fb;在光速已知c的情况下,根据如下公式,计算出待测气体的吸收程l:
h、对频域信号进行加窗处理,仅保留拍频信号附近的频谱;对该信号做傅里叶逆变换,即获得待测气体的吸收信号sabs;假定已知气体浓度为cref,吸收程为lref条件下的气体吸收信号强度为sref;在激光测量路径上气体的平均浓度表示为:
i、将该系统对准任意硬目标(6),发射激光光束,探测散射光信号强度,根据以上方法,获取待测路径上的气体平均浓度,从而实现移动式(或任意位置)的气体浓度测量。