[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

说明书

本发明公开了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，DFB激光器输出调制信号，由经过1×2单模光纤分束器分为探测光和参考光，探测光经过待测环境剧烈衰减。单模光纤时间延迟器使两束光产生相位差，探测光还经过了多模噪声扰模器消除多模噪声，在2×2多模光纤分束器中形成外差干涉。将外差干涉后信号1:1分束，接入平衡探测器，获得降低了探测器噪声的放大干涉信号。本发明将参考光和探测光在1×2单模光纤分束器中产生干涉，由2×2多模光纤分束器均分输出，使其两路输出信号直流量无论探测光是否波动都相同，接入平衡探测器能均衡抗噪，显著提高了实时性和抗噪能力。

技术领域：

本发明涉及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。

背景技术：

可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)是一种基于激光原理的新型光学传感器，它应用于各种环境下的气体浓度和温度非接触测量。它的高速反馈、实时监测的特性使其成为动态过程控制系统中最为重要的测量手段之一。

直接吸收法(DAS)是TDLAS技术中的一种数据处理方法，应用于吸收强度较大的环境中。双线免除标定，不用近似计算等方面是相对WMS波长调制法的优势。而DAS最大的劣势就是抗干扰能力差，信噪比低和信号变形会增大它的探测误差。实验室中为提高信噪比可以使用平衡探测法，通过调节参考光光强减去背景光和探测器噪声，使信号基底为0。但是实际工业应用环节，因为探测信号实时变化，并且衰减往往大于1000倍以上，所以参考光难以自适应调节。

为了在强吸收环境下使用DAS获取有效信号，需要另一种光学和信号处理方法提高DAS抗干扰能力。

发明内容：

本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供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。

本发明所采用的技术方案有：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，包括DFB激光器、1×2单模光纤分束器、准直器、待测空间、多模噪声扰模器、单模光纤时间延迟器、2×2多模光纤分束器、多模光纤时间延迟器、多模光纤衰减器、平衡探测器和单模光纤衰减器，两所述准直器分别置于待测空间的两侧，且一侧的准直器形成发射端，另一侧的准直器形成接收端；

所述DFB激光器的输出激光由光纤传输接入1×2单模光纤分束器的输入端口，1×2单模光纤分束器的两根输出尾纤一根接入所述发射端的准直器，另一根接入单模光纤时间延迟器，单模光纤时间延迟器与单模光纤衰减器的输入尾纤相连；发射端的准直器将激光调制信号注入待测空间中并由所述接收端的准直器接受，接收端的准直器经过多模光纤传输连入多模噪声扰模器的输入端口；多模噪声扰模器的输出尾纤以及单模光纤衰减器的输出尾纤分别对应连接2×2多模光纤分束器的两个输入端尾纤，2×2多模光纤分束器的两个输出端尾纤分别对应连接多模光纤时间延迟器的输入尾纤和多模光纤衰减器的输入尾纤，多模光纤时间延迟器的输出尾纤以及多模光学衰减器的输出尾纤均插入平衡探测器的两个输入端口内。

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，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，并通过1×2单模光纤分束器分成两路，一路作为检测光，其振幅为E_T，用于待测空间检测吸收光谱信号，并经多模噪声扰模器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进行延时处理；参考光透过单模光纤时间延迟器并射入单模光纤衰减器，所述单模光纤时间延迟器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，并经2×2多模光纤分束器再次分成两路信号光，一路信号光经多模光纤衰减器输出给平衡探测器，另一路信号光经多模光纤时间延迟器延迟处理并最终输出给平衡探测器；