[发明专利]一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法

权利要求书

1.一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：

步骤一、搭建基于腔增强的单光路痕量气体的在线检测装置，包括信号发生器(10)、激光驱动器(20)、可调谐半导体激光器(30)、光束耦合器(40)、光学球形腔(50)、光电探测器(60)、锁相放大器(70)以及上位机(80)；信号发生器(10)的输出端与激光驱动器(20)的输入端相连，激光驱动器(20)的输出端与可调谐半导体激光器(30)的输入端相连；光束耦合器将可调谐半导体激光器(30)发出的激光引入光学球形腔，以及将反射后的光引出光学球形腔；光学球形腔上设有气体入口与出口；光电探测器的输入端接收光束耦合器引出的光束，输出端与锁相放大器的输入端相连，锁相放大器的输出端与上位机相连；

步骤二、使用信号发生器(10)生成低频梯形波与高频正弦波，并通过高频正弦波对低频梯形波进行调制后，输入激光驱动器(20)，控制可调谐半导体激光器(30)输出激光的波长与光强；，并通过高频正弦波对输出的激光的光强进行同步调制；

步骤三、将待测气体从光学球形腔(50)的气体入口(51)输入，光束耦合器(40)将调制后的激光信号引入光学球形腔(50)中，激光信号在光学球形腔(50)中经过多次反射与待测气体充分接触后被光束耦合器(40)引出；

步骤四、光电探测器(60)将接收到的激光信号转换为电信号后传输给锁相放大器(70)，锁相放大器(70)提取信号信息；具体方法为：

步骤4.1、锁相发大器(70)采集激光信号经气体吸收后产生的凹陷：

A＝[P₁,P₂,.....,P_N-1,P_N] (1)

其中，A表示锁相放大器(70)采集到的信号，P₁,P₂,.....,P_N-1,P_N分别代表一个上升沿采集周期内的采集的N个数据点；对采集到的信号进一步处理：

步骤4.2、引入光功率归一化系数m：

其中，L_bot和L_top分别为采集到的梯形波信号的上下底幅值，归一化系数m用于表示激光信号与待测气体吸收后的实时光功率情况；因此处理后的气体吸收信号B为：

步骤五、锁相放大器(70)将处理、解调后的气体吸收信号传输到上位机(80)中，上位机(80)通过算法反演，得到被测气体的浓度，实现气体的在线检测。

2.如权利要求1所述一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法，其特征在于：可调谐半导体激光器(30)为辐射波长为9.55μm的量子级联激光器。

3.如权利要求1所述一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法，其特征在于：光束耦合器(40)为棱镜光束耦合器、光栅光束耦合器或微纳结构耦合器中的一种。

4.如权利要求1所述一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法，其特征在于：光学球形腔(50)为二氧化硅腔，直径为150mm，腔内表面镀有金属镜面。

5.如权利要求1或4所述一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法，其特征在于：光学球形腔(50)内镀的金属镜面为银、金、铝或铂中的一种。

6.如权利要求1或4所述一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法，其特征在于：所述在线检测装置还包括用于安装可调谐半导体激光器(30)的散热器。

7.如权利要求1所述一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法，其特征在于：光电探测器(60)为光电倍增管。

8.如权利要求1所述一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法，其特征在于：低频梯形波的频率为220Hz，高频正弦波的频率为2.55kHz。

9.如权利要求1或4所述一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法，其特征在于：激光信号在光学球形腔(50)中经过多次反射后的光程不少于6.3m。