[发明专利]准分布式光纤气体浓度检测系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种准分布式光纤气体浓度检测系统及方法。

背景技术

光纤传感器时分复用技术(TDM)的实现是基于耦合于同一光纤上的多个传感器，每两个传感器之间都由光纤相耦合，这段经过耦合的光纤产生一段延时，由于这段延时导致不同位置的传感器信号传入接收端的时间不同，该时间差在时域上产生了分时效应，依靠输出信号的分时效应可以确定各传感器的位置以及每个传感器返回信号中所携带的被测信息，通过解调各个传感器的被测信息，可以得到每个点的被测值及其所对应的地址。光谱吸收型时分复用的实现首先将激光器驱动信号调制成为脉冲信号，脉冲信号的频率和占空比由传感器个数决定，当脉冲信号输入到光纤，光耦合器和气室组成拓扑阵列，由于通过各气室的光路中光纤长度不同，会在返回信号产生一定的延时，在光探测器接收端将会形成光脉冲序列，其中每一个光脉冲对应光纤上耦合的一个气室的信息，为了防止接收到的各个光脉冲信号互相干扰，要求输入光脉冲的宽度小于相邻传感器间的光信号传输间隔时间，这样就可以得到吸收气体的气室在光纤上的地址,而输出光脉冲强度则反映出该气室中待测气体浓度。综上，基于气体光谱吸收的基本原理的气体浓度检测光路方案如图1所示，它包括激光发生器、激光探测器、三个激光输入端耦合器、三个激光输出端耦合器，三个透射型气室，其中，激光发生器的激光信号输出端通过三个激光输入端耦合器分别连接三个透射型气室的激光入射口，三个透射型气室的激光输出端分别通过三个激光输出端耦合器连接激光探测器的信号输入端，基于气体光谱吸收TDM的基本原理的实验光路在时分复用(TDM)的实现过程中，由于气体吸收谱宽度很窄，微弱光信号的对准、产生、传输、解调是相对较困难的。经过相应气体吸收后，光强度的变化信号更弱，通过光电二极管转换器件将光信号转变为电信号后，将会得到的信号也掺杂更大的噪声，因此，光路总体方案设计的难点是如何尽可能地提高有效光信号的强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种准分布式光纤气体浓度检测系统及方法，该系统和方法能提高气体浓度检测时的有效光信号强度。

为解决上述技术问题，本发明公开的一种准分布式光纤气体浓度检测系统，它包括激光发生器、光环形器、光探测器和处理器，其特征在于，它还包括第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器、第一反射型开放气室、第二反射型开放气室和第三反射型开放气室，其中，激光发生器的激光信号输出端连接光环形器的第一通信接口，光环形器的第二通信接口连接第一光耦合器的第一光信号耦合接口，第一光耦合器的第二光信号耦合接口连接第一反射型开放气室的光信号接口，第一光耦合器的第三光信号耦合接口连接第二光耦合器的第一光信号耦合接口，第二光耦合器的第二光信号耦合接口连接第二反射型开放气室的光信号接口，第二光耦合器的第三光信号耦合接口连接第三光耦合器的第一光信号耦合接口，第三光耦合器的第二光信号耦合接口连接第三反射型开放气室的光信号接口，第三光耦合器的第三光信号耦合接口为光耦合器扩展接口。

一种利用上述准分布式光纤气体浓度检测系统的气体浓度检测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：激光发生器输出近红外波长段激光；

步骤2：激光发生器输出的近红外波长段激光通过光环形器依次经过第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器；

步骤3：第一光耦合器将上述近红外波长段激光耦合输入第一反射型开放气室，第二光耦合器将上述近红外波长段激光耦合输入第二反射型开放气室，第三光耦合器将上述近红外波长段激光耦合输入第三反射型开放气室；

步骤4：第一反射型开放气室、第二反射型开放气室和第三反射型开放气室中的入射近红外波长段激光经过准直器和自聚焦透镜变为平行激光，第一反射型开放气室、第二反射型开放气室和第三反射型开放气室中所述平行激光穿透待测气体，待测气体对平行激光的光强进行吸收，光强度减弱的激光信号入射至反射镜，反射镜与平行激光垂直，根据光的反射定律，反射光沿原路返回，再次穿透待测气体，待测气体对反射光的光强进行吸收，光强度减弱的反射光通过自聚焦透镜汇聚到一点，最后通过准直器和对应的第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器返回至光环形器；

步骤5：光强度减弱的反射光通过光环形器输入到光探测器，光探测器将光强度减弱的反射光转换成对应的激光感应电信号；

步骤6：所述处理器对光探测器输出的激光感应电信号中的脉冲二次谐波信号进行锁定放大解调，得到与气体浓度成比例的电压强度信号，并根据已知的气体浓度与电压强度信号的对应关系，确定反射型开放气室中的气体浓度；