[发明专利]一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测系统及探测方法

权利要求书

1.一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测系统，其特征在于：包括DFB激光器(1)、1×2单模光纤分束器(2)、准直器(3)、待测空间(4)、多模噪声扰模器(5)、单模光纤时间延迟器(6)、2×2多模光纤分束器(7)、多模光纤时间延迟器(8)、多模光纤衰减器(9)、平衡探测器(10)和单模光纤衰减器(11)，两所述准直器(3)分别置于待测空间(4)的两侧，且一侧的准直器(3)形成发射端，另一侧的准直器(3)形成接收端；所述DFB激光器(1)的输出激光由光纤传输接入1×2单模光纤分束器(2)的输入端口，1×2单模光纤分束器(2)的两根输出尾纤一根接入所述发射端的准直器(3)，另一根接入单模光纤时间延迟器(6)，单模光纤时间延迟器(6)与单模光纤衰减器(11)的输入尾纤相连；发射端的准直器(3)将激光调制信号注入待测空间(4)中并由所述接收端的准直器(3)接受，接收端的准直器(3)经过多模光纤传输连入多模噪声扰模器(5)的输入端口；多模噪声扰模器(5)的输出尾纤以及单模光纤衰减器(11)的输出尾纤分别对应连接2×2多模光纤分束器(7)的两个输入端尾纤，2×2多模光纤分束器(7)的两个输出端尾纤分别对应连接多模光纤时间延迟器(8)的输入尾纤和多模光纤衰减器(9)的输入尾纤，多模光纤时间延迟器(8)的输出尾纤以及多模光学衰减器(9)的输出尾纤均插入平衡探测器(10)的两个输入端口内；

根据所述外差平衡探测系统，其中：

所述2×2多模光纤分束器(7)输出外差干涉信号值I，如下公式所示：

其中E_r为参考光振幅，E_t为检测光振幅，Δf为光波频率差，为相位差；Δf是由单模光纤时间延迟器6产生引入；

所述的多模光纤时间延迟器(8)、多模光学衰减器(9)输入口平衡探测器(10)响应信号分别为：

式中，平衡探测器(10)两个输入口对应两个探测器的噪声noise₁和noise₂；ψ为π

所述平衡探测器(10)输出值为：

2.一种应用于低信噪比下的TDLAS直接吸收法的外差平衡探测方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)DFB激光器的输出激光射入1×2单模光纤分束器(2)，并通过1×2单模光纤分束器(2)分成两路，一路作为检测光，其振幅为E_T，用于待测空间(4)检测吸收光谱信号，并经多模噪声扰模器(5)进行抗干扰信号处理；另一路作为参考光，其振幅为E_r，通过单模光纤时间延迟器(6)进行延时处理，参考光透过单模光纤时间延迟器(6)并射入单模光纤衰减器(11)，所述单模光纤时间延迟器(6)的延时处理能够通过增加检测光和参考光的相位差产生外差干涉，单模光纤衰减器(11)根据射入的参考光调节参考光大小，并最终调节检测光和参考光之间比例系数；

2)所述检测光与参考光汇入2×2多模光纤分束器(7)，并经2×2多模光纤分束器(7)再次分成两路信号光，一路信号光经多模光纤衰减器(9)输出给平衡探测器(10)，另一路信号光经多模光纤时间延迟器(8)延迟处理并最终输出给平衡探测器(10)；其中：

所述2×2多模光纤分束器(7)输出外差干涉信号值I，如下公式所示：

式中：E_r为参考光振幅，E_t为检测光振幅，Δf为光波频率差，为相位差；Δf是由单模光纤时间延迟器6产生引入；

所述的多模光纤时间延迟器(8)、多模光学衰减器(9)输入口平衡探测器(10)响应信号分别为：

式中，平衡探测器(10)两个输入口对应两个探测器的噪声noise₁和noise₂；ψ为π；

3)平衡探测器(10)将接收到的两路信号光相减放大，即获得外差平衡测量信号的输出；所述平衡探测器(10)内置两个光电传感器，所述两个光电传感器分别对应接受所述两路信号光，两路信号光经过光电传感器后相减放大，即获得了消除传感器噪声的外差干涉信号I_out；

所述平衡探测器(10)输出值为：