[发明专利]红外激光光谱痕量水汽检测系统及其检测方法

权利要求书

1.一种红外激光光谱痕量水汽检测系统，其特征在于：包括红外半导体激光器(1)，所述红外半导体激光器(1)发出的光束经分束器(4)分束成光强比例为1:1的检测光和参考光，所述检测光和参考光分别入射到检测吸收池(8)和参考吸收池(17)，所述检测吸收池(8)和参考吸收池(17)为光程相同的两个多次反射光学吸收池，所述检测吸收池(8)设有进气口(7)和出气口(9)，检测样气通过进气口(7)进入吸收池，并由出气口(9)流出，所述参考吸收池(17)中密封有一个大气压的与检测样器的背景气体种类相同的高纯标准气体，检测光和参考光通过吸收池后，分别由第一光电探测器(12)和第二光电探测器(18)进行光电转换，并将信号发送至信号采集处理模块(21)得到检测光谱信号和参考光谱信号；系统还包括信号发生电路(3)和半导体激光器控制模块(2)，所述信号发生电路(3)分别向半导体激光器控制模块(2)和信号采集处理模块(21)输出锯齿波信号，所述半导体激光器控制模块(2)将该锯齿波信号与红外半导体激光器(1)的激光器驱动电流叠加，实现输出波长在设定波长范围内周期性连续扫描。

2.根据权利要求1所述的红外激光光谱痕量水汽检测系统，其特征在于：所述检测吸收池(8)和参考吸收池(17)上均安装有加热带(10)和温度传感器(11)，温度控制器(13)通过加热带(10)和温度传感器(11)将检测吸收池(8)和参考吸收池(17)的温度控制在水汽冷凝温度以上。

3.根据权利要求1所述的红外激光光谱痕量水汽检测系统，其特征在于：所述检测吸收池(8)和参考吸收池(17)的外部光路也保持一致。

4.根据权利要求1所述的红外激光光谱痕量水汽检测系统，其特征在于：所述第一、第二光电探测器(12、18)与信号采集处理模块(21)之间分别设有第一低通滤波放大电路(14)和第二低通滤波放大电路(20)。

5.根据权利要求1所述的红外激光光谱痕量水汽检测系统，其特征在于：所述分束器(4)为1×2光纤分束器，所述分束器(4)发出的检测光和参考光分别经第一光纤准直器(5)和第二光纤准直器(6)准直后进入检测吸收池(8)和参考吸收池(9)。

6.一种应用权利要求1所述系统进行检测的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：光谱归一化，分别用检测光谱信号S₀(n)和参考光谱信号R₀(n)顶端没有气体吸收的n₀个数据点进行平均获取信号强度参数值S_0m和R_0m，用于对检测光谱信号S₀(n)和参考光谱信号R₀(n)归一化计算，得到归一化检测光谱信号S(n)和参考光谱信号R(n)：

S(n)=S0(n)S0m,R(n)=R0(n)R0m;]]>

步骤2：光谱差分对消，对归一化检测光谱信号S(n)和参考光谱信号R(n)进行差分处理，得到净检测光谱信号D(n)：

D(n)＝R(n)-S(n)；

步骤:3：谱线线性拟合，对净检测光谱信号D(n)进行光谱线型拟合，拟合线型函数取为洛伦兹函数，拟合函数为：

ΦL(n)=AπnL[(n-n0)2+nL2]+Φ0;]]>

其中，Φ₀为直流背景，n_L为洛伦兹半宽，n₀是谱线的中心位置，A是水汽目标吸收线积分吸收线强，A与水汽浓度成正比；

步骤4：水汽浓度反演：

首先获取校准水汽目标吸收线积分吸收线强A₀：将检测吸收池中充入已知水汽浓度C₀的一个标准大气压水汽校准气体，记录检测吸收池校准光谱信号X₀(n)，用校准光谱信号X₀(n)顶端没有气体吸收的n₀个数据点进行平均获取信号强度参数值X_0m，用于对校准光谱信号X₀(n)归一化计算，得到归一化校准光谱信号X(n)：

X(n)=X0(n)X0m;]]>

利用归一化校准光谱信号X(n)两端没有水汽吸收的数据点拟合背景信号B(n)，拟合函数为：

B(n)＝a₀+a₁n+a₂n²；

其中：a₀、a₁、a₂为拟合参数；

归一化校准光谱信号X(n)减去拟合背景信号B(n)得到净校准光谱信号Y(n)：

Y(n)＝X(n)-B(n)

对净校准光谱信号Y(n)进行光谱线型拟合，拟合线型函数取为洛伦兹函数，拟合函数为：

Φ′L(n)=A0πn′L[(n-n′0)2+n′L2]+Φ′0]]>

其中，Φ'₀为净校准光谱信号直流背景，n'_L为净校准光谱信号谱线洛伦兹半宽，n'₀是净校准光谱信号谱线的中心位置，A₀水汽校准气体目标吸收线积分吸收线强；

然后，利用A₀和检测样气中水汽目标吸收线积分吸收线强A比值关系可以得到样气中水汽浓度C₀，校准关系为：

C=C0·AA0;]]>

C即为检测的水汽浓度数据。