[发明专利]基于波分复用技术的多组分痕量气体在线检测装置和方法

权利要求书

1.一种多组分痕量气体测量方法，所采用的多组分痕量气体在线检测装置，包括：激光控制中心、至少一个可调谐激光器、保偏光纤、掺铒保偏光纤、至少一个光开关、光分束器、光隔离器、光纤准直器、光衰荡腔、高反镜、至少一个分波器、光电探测器、中央数据处理及控制中心、泵浦源、特征吸收谱线校准系统和光电转换器，其特征在于，包括：

第一步，在光衰荡腔内通入一种含多种杂质组分的待测气体；

第二步，激光控制中心控制可调谐激光器发出的激光信号波长λ_m，使得波长λ_m为待测组分气体特征吸收峰所对应波长；

第三步，波长为λ_m的多路激光信号经合波器后合成一束激光信号；

第四步，可选择的，若可调谐激光器发出的激光信号能量小于10mW，根据使用要求，需要在合波器位置处接入泵浦源，并且在合波器与第一分波器之间的任一光纤位置，将保偏光纤连接改为掺铒保偏光纤，实现光功率放大；

第五步，合束后的激光信号经光分束器分为能量比为99：1的两束激光信号；

第六步，99％能量的激光信号经保偏光纤传输到光隔离器，99％能量的激光信号通过光隔离器后传输到分波器；

第七步，激光信号经第一分波器后，分为波长为λ_m的多路激光信号，经保偏光纤传输到第一光开关；

第八步，中央数据处理及控制中心通过调控光开关使波长为λ_m的多路激光信号按照特定频率依次通过，经光纤准直器准直后耦合到光衰荡腔中并与光衰荡腔中光学系统共振；

第九步，1％能量的激光信号经保偏光纤传输到第二分波器，并经第二分波器分为波长为λ_m的多路激光信号，最终耦合到测气体特征吸收谱线校准系统中，并根据波长与之一一对应；

第十步，光电转换器实时捕捉待测气体特征吸收谱线校准系统中的校准信息并传输到中央数据处理及控制中心，中央数据处理及控制中心根据校准信息控制激光控制中心调整可调谐激光器发出激光信号的波长，进行自校准；

第十一步，光电探测器实时捕捉从光衰荡腔中透射出来的激光信号，实时监测激光信号的能量在光衰荡腔中变化情况，并将监测到的信息经光电转换后传输到中央数据处理及控制中心，得到激光信号的衰荡时间得到激光信号的衰荡时间τ_m，τ_0m，并根据波长一一对应；

第十二步，测得衰荡时间后，根据朗伯比尔定律可以计算出待测气体的浓度为

其中N_m为待测气体浓度，τ_m为有待测气体吸收时测得的衰荡时间，τ_0m为无待测气体吸收时测得的衰荡时间，c为光速，σ(λ_m)分别为待测气体特征吸收峰对应的吸收截面。

2.如权利要求1所述多组分痕量气体测量方法，其特征在于：所述激光控制中心与多个可调谐激光器电连接；所述光电探测器与中央数据处理及控制中心电连接；所述激光控制中心与中央数据处理及控制中心电连接；多个光开关与中央数据处理及控制中心电连接；保偏光纤、掺铒保偏光纤、光分束器、光隔离器、光纤准直器机械连接；压力控制中心与中央数据处理及控制中心电连接；所述光电探测器与光电转换器与中央数据处理及控制中心电连接；合波器、分波器与中央数据处理及控制中心电连接；合波器与泵浦源电连接。

3.如权利要求1所述多组分痕量气体测量方法，其特征在于：所述光纤准直器由光纤和准直透镜组成。

4.如权利要求3所述多组分痕量气体测量方法，其特征在于：所述准直透镜可为C-lens透镜、自聚焦透镜或球透镜系统。

5.如权利要求4所述多组分痕量气体测量方法，其特征在于：所述球透镜系统主要有棱镜、正透镜和负透镜组成。

6.如权利要求1所述多组分痕量气体测量方法，其特征在于：所述光衰荡腔中的光学系统由一对反射率高达0.99999的高反镜组成，高反镜机械固定于光衰荡腔中。