一种基于飞秒激光的气体浓度测量方法与流程

本发明涉及一种基于飞秒激光的气体浓度测量方法，属于气体浓度测量领域。

背景技术：

1、近年来，光学频率梳技术在频率标准计量及前沿基础物理研究领域发挥了巨大作用。光学频率梳在频域上具有整齐分布的一系列光谱谱线，这些光谱谱线间距相等，数量众多，光谱范围大，是进行光谱分析的天然精密刻度，而且每个刻度的线宽很窄，具有很高的分辨率，得益于这些内在特性，光学频率梳可用于高分辨率光谱测量，从而在基于光谱测量技术的非接触式气体浓度测量领域也具有重要的应用前景。

2、目前的气体浓度测量方法主要分为接触式和非接触式，接触式测量方法主要有以下几种：

3、电化学气体检测方法是一种通过气体的化学反应来对其进行检测的方法。一般常见的电化学传感器主要由电极、透气膜以及作为载体的电解质组成；待测气体通过透气膜到达工作电极，在电极处与传感器产生化学反应，将化学能转化为电能，形成与待测气体浓度成线性关系的电流信号。将两个电极进行连接，通过跨阻放大器将其转变成电压信号，测量该电压信号可以推导出待测气体浓度值。电化学式气体传感器的成本低、检测灵敏度较高、对于某些种类的待测气体来说具有一定的选择性；但是其检测范围较小，且由于气体需要电解液作为载体传播，这对响应时间造成了一定的影响。

4、催化燃烧法是一种通过使待测气体燃烧来测量其浓度的方法，常用来测量可燃气体的浓度。典型的催化燃烧式气体传感器由和待测气体发生反应的检测模块以及不和待测气体发生反应的补偿模块构成。当催化燃烧式传感器接触可燃的待测气体时，检测模块发生燃烧，其温度上升阻值发生变化；补偿模块不燃烧，阻值不发生变化，这个电阻的变化值可以通过惠斯通电桥以偏置电压的形式检测出来。电压值与气体浓度之间呈比例关系，检测出两个模块间的偏置电压值就确定了待测气体的浓度。基于催化燃烧法的气体传感器响应速度快，工作稳定、可靠，价格便宜。但其只能用于可燃气体检测，具有一定的局限性，而且传感器的灵敏度容易受到化学物质的影响，当测试环境中氧气含量不高的情况下测量误差较大。

5、气相色谱技术是一种高效、灵敏的分离分析技术，它可以分离几十种甚至上百种组分的混合物。目前气相色谱分为填充气相色谱和毛细管气相色谱。对于小分子气体分析，首先考虑的应是填充气相色谱，即气-固色谱，这是因为气体组分在固体表面上的吸附系数大，保留时间长，易于分离；尤其在燃烧产物无机气体分析。气-固色谱可以将分子式有差异的各种气体化合物分离并检测，即使同碳数的小分子烷/烯分离，只差两个氢原子，也可以分离。而毛细管气相色谱即气-液色谱由于固定液对气体组分的分配系数太小，分离效果较差；但是毛细管气相色谱对分子量较大的复杂的有机化合物体系可以实现很好的分离，比如燃烧产物中碳氢化合物。

6、非接触式测量方法主要基于光谱测量测量技术，具有高灵敏、高分辨、快速响应等优势。依原理不同，光谱法又分为：散射光谱、发射光谱和吸收光谱三种，应用技术主要包括：cars、plif、tdlas等。cars适合测量具有拉曼活性的双原子分子浓度测量，比如发动机燃烧过程包含的氧气、氢气和氮气等；plif光谱方便对包含oh基、no基等极性基团的气体浓度进行检测，因此在以超声速燃烧流场诊断、燃烧机理研究中取得较多成果。tdlas方法适合于单组分气体检测，通过波长调谐扫描获取吸收谱，通过吸收强度解算气体浓度。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于飞秒激光的气体浓度测量方法，基于窄线宽、高相干度双飞秒激光频率梳异步光学扫描测量技术，根据气体分子吸收谱在适当波段选取被测气体成分，通过测量与分析气体成分在该波段的吸收光谱实现气体浓度测量。本发明基于光学扫描速度快、拍频谱线密集的特性，具有测量频率高、测量分辨率高的优点。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

3、本发明公开的一种基于飞秒激光的气体浓度测量方法，基于第一飞秒光学频率梳、第二飞秒光学频率梳、样品池、光电探测器、数据采集模块、分析处理模块实现。选取两个具有微小重复频率差的飞秒光学频率梳，定义为第一飞秒光学频率梳、第二飞秒光学频率梳，并求取两个频率梳重复频率差和脉冲时域重复周期延迟时间。设置被测气体样品池，在气体样品池留出测量光通路，在气体样品池两边搭建测量光路装置；确定待测量的气体成份，根据气体分子吸收谱数据库选择适当的波段，确定用于测量的激光器波段。调整光路，使第一飞秒光学频率梳出射的激光束通过气体样品池；调整光路，使第一飞秒光学频率梳出射的激光束在通过气体样品池后与第二飞秒光学频率梳出射的激光束干涉拍频，由于时域脉冲重复周期的差别，两束光的脉冲在时域上的重叠度不同，在光电探测器探测到的是两束光的干涉拍频图样，确定拍频后的频谱信息与原光谱映射关系及映射系数；使用数据采集模块对光电探测器探测到的光强数据进行采集；在分析处理模块中，对采集到的数据进行分析，得到射频段的频谱信息，根据hitran数据库，通过傅里叶光谱变换方法将该射频谱转换得到被测气体的红外吸收光谱，使用voigt线型函数对吸收峰进行线型拟合，获取谱段内所有吸收峰模型；通过拟合算法得到吸收光谱基线，使用拟合后的吸收峰与基线进行对比运算，得到每个峰对应的吸光度。结合环境温度、气压和吸收路径长度等参数，根据比尔定律，通过遍历算法得到被测气体浓度。

4、本发明公开的一种基于飞秒激光的气体浓度测量方法，包括如下步骤：

5、步骤一：选取两个具有微小重复频率差的飞秒光学频率梳，定义为第一飞秒光学频率梳、第二飞秒光学频率梳，并求取两个频率梳重复频率差和脉冲时域重复周期延迟时间。

6、步骤一实现方法为：选取两个具有微小重复频率差的的飞秒光学频率梳，即选取重复频率为frep1为的第一飞秒光学频率梳和选取重复频率为frep2的第二飞秒光学频率梳，两个频率梳重复频率差为δf，则两个飞秒光学频率梳的脉冲时域重复周期延迟为：

7、

8、作为优选，步骤一所述微小重复频率差控制在在khz～mhz范围内。

9、步骤二：设置被测气体样品池，在气体样品池留出测量光通路，在气体样品池两边搭建测量光路装置，分别为激光入射装置和激光测量装置；

10、步骤三：确定待测量的气体成份，根据气体分子吸收谱数据库选择适当的波段，确定用于测量的激光器波段。

11、步骤四：调整第一偏振分光镜，使第一飞秒光学频率梳出射的激光束通过气体样品池；

12、步骤五：调整调整第二偏振分光镜，第三偏振分光镜、反射镜，使第一飞秒光学频率梳出射的激光束在通过气体样品池后与第二飞秒光学频率梳出射的激光束干涉拍频，由于时域脉冲重复周期的差别，两束光的脉冲在时域上的重叠度不同，在光电探测器探测到的是两束光的干涉拍频图样，确定拍频后的频谱信息与原光谱映射关系及映射系数。

13、步骤五实现方法为：调整光路，使飞秒光学频率梳出射的激光束在通过气体样品池后与飞秒光学频率梳出射的激光束干涉拍频，由于时域脉冲重复周期的差别，两束光的脉冲在时域上的重叠度不同，在光电探测器探测到的是两束光的干涉拍频图样，确定拍频后的频谱信息与原光谱映射关系，映射系数m为：

14、m＝frep1/δf                     (2)

15、步骤六：使用数据采集模块对光电探测器探测到的光强数据进行采集；

16、步骤七：在分析处理模块中，对采集到的数据进行分析，通过傅里叶光谱变换方法得到射频段的频谱信息，通过步骤中确定的映射系数，将该射频谱转换得到被测气体的红外吸收光谱；

17、步骤八：使用voigt线型函数对吸收峰进行线型拟合，获取谱段内所有吸收峰模型；

18、步骤九：通过拟合算法得到吸收光谱基线，使用拟合后的吸收峰与光谱基线进行对比运算，得到每个峰对应的吸光度。

19、步骤九实现方法为：

20、通过吸收峰强度与光谱基线的对比得到吸光度，计算公式为：

21、α＝lg(iout/iin)                    (3)

22、式中，iout为输出光强度，iin为输入光强度。

23、步骤十：结合环境温度、气压和吸收路径长度等参数，根据hitran数据库，通过遍历算法得到被测气体浓度。

24、步骤十实现方法为：根据如下公式(4)：

25、

26、式中，α(vi)为某频率处的吸光度，p为压力，l为吸收光程长度，s(t)为吸收光谱线型函数，由hitran数据库可以得到，xabs为待测气体浓度。

27、有益效果：

28、1、本发明公开的一种基于飞秒激光的气体浓度测量方法，采用双飞秒激光频率梳光谱测量方法，由于其光学扫描快、拍频谱线密集，因此本方法具有高采样率、高光谱分辨率的特点，尤其适合用于对高速、高温气体流场环境下的气体浓度测量，如航空发动机尾喷口燃烧气体组分浓度测量，高速风洞气流组分浓度测量。

29、2、本发明公开的一种基于飞秒激光的气体浓度测量方法，采用双飞秒激光频率梳光学扫描技术，具有高速测量的特点，可以对高速运动的气体流场进行组分浓度分析，获取的测量数据可有效反馈，有助于提高发动机的设计参数，提升系统效率。

30、3、本发明公开的一种基于相控阵飞秒激光的非接触式气体浓度场测量方法，采用光频梳异步拍频技术，具有高辨率的特点，相比于传统的光学测量方法，实现更高精度的测量，可进一步提升测量结果的准确度，进而提高发动机的设计参数。