[发明专利]一种分布式多参量光纤气体检测系统及检测方法

说明书

本发明提供一种分布式多参量光纤气体检测系统及检测方法，利用空芯光子晶体光纤作为传感光纤，第二激光器发出的信号作为泵浦光在传感光纤中与气体相互作用，气体吸收泵浦光后产生周期性的调制特性，第一激光器发出的探测信号与周期性调制的气体相互作用，使得探测信号的相位产生变化，探测信号在传感光纤中产生背向瑞利散射、拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯信号，通过检测反射的瑞利散射信号相位信息，得到传感光纤沿线上气体的浓度和成分信息，通过检测反射的拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯信号，利用双路解调的方法获得传感光纤沿线上气体的温度信息。本发明方法可以实现气体浓度和温度多参量信息的同时检测，对多种气体检测具有相同的适用性。

技术领域

本发明涉及一种气体检测系统及方法，特别是一种分布式多参量光纤气体检测系统及检测方法。

背景技术

我国经济的快速发展带来的安全问题十分严峻，频繁发生的各类恶性事故，不仅对相关从业人员造成了人身伤害，还给国家造成了巨大的经济损失，产生了恶劣的社会影响。这些事故基本上都涉及到危险气体的快速检测、实时监测等相关问题。另外，近年来环境问题也日渐突出，大气污染造成的温室效应、酸雨、雾霾等现象不仅对社会造成了直接或间接的经济损失，更是对人们的健康造成了严重的危害。因此，研制各种高灵敏度、快速响应、可远程定位检测的光纤气体传感器势在必行，已成为当今传感技术领域的主要研究内容。

相比于空间光学和玻璃毛细管等传感气室，空芯光子晶体光纤(HC-PBFs)传输的光具有较大的功率密度和更长的作用距离，使得空芯光子晶体光纤可以作为传输光和气体相互作用较为理想的传感气室。早在1991年，Russell首次将光子晶体的思想引入到光纤中，之后，他们在光子晶体光纤的制作上取得了技术上的突破，研制了具有实用价值的光子晶体光纤。从研究成果来看，光子晶体光纤可以实现激光信号在空气纤芯区域传播，且能够将95%的光信号限制在该区域，为实现光与物质相互作用提供了良好的气室环境。由于空芯光子晶体光纤可以有效地将光束限制在低折射率光纤纤芯中，同时，空芯和包层孔又可以选择性地填充气体，因此，空芯光子晶体光纤可以成为光和物质相互作用的理想平台，用于设计新型光纤气体传感装置的气室以提高光纤传感器的测量精度等性能。目前，报道的光纤气体传感器主要集中在基于普通或者光子晶体光纤的点式光纤气体传感器上，不能够实现远距离的在线气体检测，因此，充分利用光子晶体光纤在气体检测中的优势，研究分布式光纤气体传感器技术具有非常重要的学术价值和应用价值。2014年，李刚等研究人员提出了一种分布式气体传感系统及其控制方法，申请号为201410708072.1，通过主控板控制多路光开关，实现了一个激光器控制多路进行气体检测，大大降低了系统成本。2015年，郑光辉等研究人员提出了分布式光纤传感器，申请号为201510071655.2，利用光纤将气体检测装置以及包括激光源、解调装置、光电检测器的主机部分进行连接，出射激光以及反射激光均通过光纤在上述两者之间传播，适合于远距离的站点气体传感检测。2015年，靳伟等研究人员提出了基于空芯光纤光热效应的气体检测方法和系统，申请号为201510005210.4，采用泵浦和探测双激光方案进行检测，方法简单而实用，可以实现极小的光斑面积，大大提高了光功率密度，从而使光热信号强度得到增强。2018年，高建军等研究人员提出了一种连续分布式光纤气体检测的装置及方法，申请号为201810144950.X，在普通单模光纤上利用飞秒加工技术制作小孔作为气体的储藏气室，作为传感光纤上的气体与光的相互作用区域，气体吸收泵浦激光信号产生调制现象，再利用探测激光信号在光纤中的背向瑞利散射检测泵浦信号产生调制现象的传感光纤沿线上的相位信息，实现传感光纤沿线上的气体浓度信息。从这些报道来看，这些发明都是点式光纤气体传感器，不能称得上分布式光纤气体传感器，而且不能同时实现光纤沿线上气体多参量的测量，很难进行产业化的实施。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种分布式多参量光纤气体检测系统及检测方法，不仅能能够克服现有气体检测技术的缺点与不足，实现分布式气体浓度和温度的多参量光纤气体检测，而且能够实现快速高精度的测量要求，易于实现等优点。