用于宽间隔波长的TDLAS架构的制作方法

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背景技术：

可调谐二极管激光吸收光谱法(tdlas)是用于检测和测量气态混合物中多种物质的浓度的十分成熟的技术。tdlas依靠作为目标的物质的唯一吸收光谱来在非常具体的波长处测量二极管激光束的衰减，二极管激光束在穿过测量区域时关于正被测量的物质的吸收谱线被调整。甚至在与这些吸收谱线略不同的波长处也基本上不存在吸收。

通常，在操作中，在包括关注物质的至少一个吸收谱线的小范围内以及在不存在吸收的区域中扫描二极管激光束的波长。传输的穿过样本的光的光强度由光检测器测量。然后，对光检测器信号进行分析以在知道温度的情况下获得目标物质在光束路径长度上的平均浓度。

因为每种目标物质的分子吸收特定频率的光，所以通常需要不同的二极管激光来测量不同的物质。针对某些应用，tdlas系统需要使用包括从用于氧气(o2)检测的大约760nm到用于一氧化碳(co)检测的2.33微米的宽波长范围的波长。存在使用从760nm到1559nm波长的波长复用tdlas系统，其中，1559nm波长用于co检测。然而，一些应用需要针对co的更低的检测限度，而不是能够以1559nm实现。例如，在燃煤锅炉应用中，测量路径长度可以是超过10米，以及在燃烧区域中co浓度可以在5000ppm范围以上。在这些情况下，使用1550nm区域中的第二倍频谱带的co检测足够工作。因为这个波长区域被广泛用于电信领域，所以具有高透射率的单模光纤以及诸如开关、激光器和分束器的鲁棒的光纤部件是容易获得的。

然而，某些应用需要在更低浓度和在非常短的路径上的针对co的检测能力。例如，在1米路径上100ppm范围中的co的检测涉及测量对传输光束的光强度的大约500倍小的效果，这使得检测实质上比在燃煤锅炉应用中更困难。这需要以大约2.33微米在第一倍频上测量co，以大约2.33微米测量的co具有比以1559nm测量的co高大约500倍的跃迁谱线强度。

最近，已经部署了以从1350nm到2微米的波长操作的tdlas系统。扩展至2微米使得能够用于钢铁应用中针对碳平衡确定的co2的敏感检测。在许多钢铁应用中，不需要测量o2，所以不需要760nm波长。虽然扩展了这个波长范围，但是同一单模光纤可以用于以单模方式传输这个整个波长范围(1350nm至2000nm)中的光。然而，因为单类型单模光纤对以高透射和低弯曲损耗传递从大约760nm到2.33微米单模的波长无能力，所以进一步扩展到用于敏感co检测的大约2.33微米以及对在760nm测量o2的需求需要完全不同的架构。

由于从大约760nm到2.33微米的波长的光不可以在同一单模光纤上共同传播，所以新的波长复用方案必须针对需要o2检测和敏感co检测两者的应用来设计。一个这样的应用是玻璃熔炉监视。针对这个具有要求在100ppm水平或更低水平的co检测的应用需要三个波长以检测o2、水(h2o)和co。针对这个应用还需要同时或近乎同时穿过大约10条路径来进行测量的能力。

技术实现要素：

根据多组实施方式，提供了用于宽间隔波长的tdlas的系统、装置和方法。

在一个方面，一种用于宽间隔波长可调谐二极管激光吸收光谱法的系统包括至少第一可调谐二极管激光器和第二可调谐二极管激光器。第一可调谐二极管激光器可以生成第一波长的激光，并且第二可调谐二极管激光器可以生成第二波长的激光。使用第一和第二波长的激光，其中，第一和第二波长的激光不能在单模光纤上同时高效地以单横模共同传播。

系统包括具有近端和远端的第一光纤，第一光纤在近端处光耦接到第一可调谐二极管激光器，第一光纤是被配置成传送第一波长的光的单模光纤。第二光纤设置有近端和远端，第二光纤在近端处光耦接到第二可调谐二极管激光器，第二光纤是被配置成传送第二波长的光的单模光纤。设置包括至少第一和第二光纤的远端的光纤束，其中，第一和第二光纤的远端被剥离其相应的涂层，并且其中，第一光纤的第一光纤纤芯和第二光纤的第二光纤纤芯被布置成其彼此邻近的包层形成束结构。

系统还包括包含传输镜片的一个或更多个投射头，该传输镜片经由光纤束的第一和第二光纤的远端光耦接到第一和第二可调谐二极管激光器。投射头被配置成投射来自第一光纤纤芯和第二光纤纤芯的相应激光光束，其中，投射头的取向被设置成投射来自第一和第二光纤纤芯中的每个光纤纤芯的相应光束穿过测量区。设置一个或更多个传感器，每个传感器分别包括至少一个光检测器，至少一个光检测器中的每个被配置成检测第一和第二波长的光的光功率。另外，一个或更多个捕捉头位于测量区距一个或更多个投射头选定距离处，一个或更多个捕捉头与一个或更多个投射头的相应的投射头光学连接以接收第一和第二光纤纤芯的相应光束并且将相应光束引导到一个或更多个传感器中的至少一个上。

在另一方面，投射头可以用于宽间隔波长可调谐二极管激光吸收光谱法。投射头包括被配置成与光纤束进行光耦接的壳体，光纤束包括至少第一和第二输入光纤的远端，其中，第一输入光纤是传送第一波长的激光的单模光纤，并且第二输入光纤是传送第二波长的激光的单模光纤，其中，第一和第二波长的激光不能在单模光纤上共同传播。至少第一和第二输入光纤的远端被剥离其相应的涂层，并且其中，第一输入光纤的第一光纤纤芯以及第二输入光纤的第二光纤纤芯被布置成其彼此邻近的包层形成束结构。

投射头还可以包括被配置成投射来自至少第一和第二光纤纤芯中的每个光纤纤芯的相应激光光束穿过测量区的投射镜片。壳体被定向使得相应光束到达位于测量区另一边并且与壳体相距选定距离的捕捉头。

在又一方面中，提供了一种用于宽间隔波长可调谐激光二极管光谱法的方法。该方法包括生成第一波长的第一激光束，生成第二波长的第二激光束，通过第一单模光纤传送第一激光束以及通过第二单模光纤传送第二激光束，其中，第一和第二波长的激光不能在单模光纤上共同传播，剥离第一和第二单模光纤的远端的相应的涂层、将第一单模光纤的第一光纤纤芯布置成其与第二单模光纤的第二光纤纤芯的包层邻近的包层形成束结构，以及根据第一和第二光纤纤芯的束结构形成光纤束。该方法还包括使用投射头从光纤束的第一和第二光纤纤芯中的每个传输相应激光光束穿过测量区，在位于测量区另一边并且与投射头相距选定距离的捕捉头处接收每个相应光束以及在捕捉头处对第一和第二波长中的每种波长的光的光功率进行检测以及确定第一和第二波长处具有吸收谱线的目标物质的浓度。

可以在不偏离本发明范围的情况下对所讨论的实施方式进行各种修改和添加。例如，虽然上面所描述的实施方式指的是特定特征，但是，本发明的范围还包括具有特征的不同的组合的实施方式以及没有包括上面所描述的所有特征的实施方式。

附图说明

通过参照说明书的其余部分和附图可以进一步理解特定实施方式的本质和优点，在附图中相似的附图标记用于指示相似的部件。在一些实例中，子标签与附图标记相关联以表示多个相似部件中的一个。当没有指定现有子标签的情况下参考附图标记时，旨在指示所有这样的多个相似的部件。

图1示出了针对宽间隔波长tdlas系统中的投射头的光纤束组件；

图2示出了用于宽间隔波长tdlas系统的双波段光检测器；

图3示出了用于宽间隔波长tdlas系统的系统框图；

图4是针对使用宽间隔波长tdlas的方法的流程图；

图5示出了来自宽间隔tdlas系统中的光纤束组件的光束发散；

图6是宽间隔波长tdlas系统中使用的控制系统的框图；以及

图7示出了针对宽间隔波长tdlas系统中的投射头或捕捉头的二色光束组合器。

具体实施方式

虽然上文已经总结了某些实施方式的各个方面和特征，但具体实施方式更详细地示出了一些实施方式以使本领域技术人员能够实践这样的实施方式。提供所描述的示例是出于说明性目的，并不意在限制本发明的范围。

在下文的描述中，出于说明的目的，阐述了大量的特定细节以提供对所描述实施方式的充分理解。然而，对于本领域技术人员明显的是，可以在不需要这些特定细节中的一些的情况下实践本发明的其他实施方式。在本文中描述了若干个实施方式，并且虽然多个特征被赋予给不同的实施方式，但是应该理解的是，关于一个实施方式描述的特征也可以与其他实施方式进行结合。然而，出于同样的道理，任何所描述的实施方式的单个特征或多个特征都不应该被认为是对于本发明的每个实施方式必不可少的，因为本发明的其他实施方式可以省略这样的特征。

除非另外有指示，本文中所有用于表达所使用的量、尺寸等的数字在所有示例中应该理解为由术语“大约”所修饰。在本申请中，除非另有特别说明，否则单数的使用是包括复数，除非另外有指示，否则术语“和”和“或”的使用是表示“和/或”。另外，术语“包括”以及其他形式如“包含”和“被包括”的使用应该被认为是非排他性的。另外，除非另有特别说明，否则术语诸如“元件”或“部件”包括包含一个单元的元件和部件以及包含多于一个单元的元件和部件两者。如本领域公知的，基于穿过装置的光的方向，同一装置通常可以用于复用或解复用。因此，在本文中使用的术语“多路复用”或“复用”将被理解成包括复用功能和解复用功能两者。

常规的波分复用(wdm)技术不能用于对具有跨760nm至2330nm范围进入单模光纤的波长的信号进行复用，因为创建或找到合适的输出光纤传送跨波长范围的多个信号是极为困难的。

光纤束tdlas架构

图1示出了能够在单模操作中从单个传输(投射)头到相应的单个接收(捕捉)头传输跨760nm至2330nm范围的波长的光束的光纤束组件100。光纤束组件100包括光纤束150，光纤束150包含三个单模光纤110、115、120的纤芯135a、135b、135c(统称为135)。单模光纤110、115、120中的每个具有远端和近端。单模光纤110、115、120在其近端处光耦接到相应的可调谐二极管激光器。每个相应的可调谐二极管激光器可以被调谐以生成选定波长的激光。这些波长可以被选定用于与一个或更多个目标物质的吸收谱线相对应。

激光束的每个波长由适合该波长的相应的单模光纤110、115、120传送。例如，根据一组实施方式，单模光纤110传送2330nm波长光，单模光纤115传送1350nm光，以及单模光纤120传送760nm光。在另一实施方式中，sm1950光纤可以用作单模光纤110以传送2330nm光，smf28e光纤可以用作单模光纤115以传送1350nm光，以及sm750光纤可以用作单模光纤120以传送760nm光。在使用sm1950光纤的实施方式中，2330nm的光经受1db/m的损耗。然而，这种水平的损耗可以在短长度上是可接收的。

三个单模光纤110、115、120在耦接接头165处组合以形成光纤束105。根据一组实施方式，每个单模光纤110、115、120的远端的涂层125被剥离。在多个实施方式中，所去除的涂层125可以包括但不限于光纤的一些或全部的套或缓冲材料，但并不意在包括紧邻纤芯的包层。然后，经剥离的光纤110、115、120以三角形结构130布置，并且被束起来以形成具有其相应的包层邻接的光纤束105。在一些实施方式中，耦接接头165可以在三个经剥离的光纤110、115、120相遇以形成光纤束105的点的周围提供保护结构。耦接接头165还可以将光纤110、115、120相对于光纤束105稳固或保持在适当的位置。在一些实施方式中，纤芯135以三角形结构130被束起来，在该三角形结构130中纤芯135间隔开125微米–两个邻近的光纤110、115、120之间的包层140的厚度。在替换的一组实施方式中，多纤芯光纤可以替代被束起来的光纤。在多个实施方式中，光纤束105还可以包括应用于光纤纤芯135的束结构以进一步物理保护被暴露纤芯的套、缓冲或其他包覆，以保持纤芯的三角形结构，并且改进信号特性。消色差双合透镜(未示出)或其他合适的光学准直器可以用于准直来自光纤束105的光。然而，由于光在焦平面上的横向偏移，离开准直器后的光束发散约2毫弧度(125微米/50mmf.l.)。因此，根据路径长度，每个不同波长的激光束在不同位置到达捕捉侧。这在下文相对于图6被更详细地示出和描述。

因此，光纤束组件100可能需要用于保持投射头与捕捉侧镜片之间的对准的系统。在美国专利第7,248,755('755专利)号、题为“methodandapparatusforthemonitoringandcontrolofcombustion”中描述了这样的对准系统的示例，其全部内容通过引用并入本文。在'755专利中描述的自动对准系统通过自动地和动态地调节投射侧光学头或捕捉侧光学头或者投射侧光学头与捕捉侧光学头两者的倾倒(tip)和倾斜来克服这样的未对准问题，以保持对准并且确保在每个频率接收合格的信号。在下文相对于图6更详细地描述自动对准系统。

在一些实施方式中，每个波长激光束可能需要通过自动对准系统来重对准投射和/或捕捉镜片。在这样的实施方式中，时分复用(tdm)是合适的。通过使用tdm而不是基于wdm的系统，可以避免需要在捕捉头中进行波长解复用。常规的波长解复用需要在捕捉头中使用附加光纤。然而，在2330nm的波长处，附加光纤可以高度地衰减所接收的信号。

每个输入连接器155a、155b、155c(统称为155)耦接到相应的光源(未示出)。例如在多个实施方式中，输入连接器155a可以将单模光纤110耦接到2330nm波长光源，输入连接器155b可以将单模光纤215耦接到1350nm波长光源，并且输入连接器155c可以将单模光纤220耦接到760nm波长光源。然后，光纤束105通过输出连接器160耦接到投射头或传输镜片。

在操作中，每个光源可以根据tdm方案以替换的方式被打开或关闭，使得在给定时间仅一个光源被传输。例如在多个实施方式中，生成大约2330nm的光的第一光源可以被打开。2330nm信号通过单模光纤110以及作为光纤束105在相应纤芯135上的与光纤110相对应的部分被传送到传输镜片。然后，第一光源被关闭，并且生成1350nm的光的第二光源被打开。然后，1350nm信号通过单模光纤115以及作为光纤束105在相应纤芯135上的与光纤115相对应的部分被传送到传输镜片。然后，第二光源被关闭，并且生成760nm的光的第三光源被打开。然后，760nm信号通过单模光纤120以及作为光纤束105在相应纤芯135上的与光纤120相对应的部分被传送到传输镜片。替选地，1x2光开关可以用来将来自每个激光源的光切换到单模光纤束的合适的分支或到伪光路，使得每次仅单个波长的光被呈现在光纤束的远端。该切换实施方式允许二极管激光器更稳定地操作。

当使用用于co检测的大约2330nm的长波长时，因为这个波长在二氧化硅光纤中遭受高衰减(～1db/m)，所以使用光纤捕捉光以及将光传输回位于中央的机架以检测和量化成为问题。例如，布置可以具有下述系统，该系统被部署在其中捕捉头可以安装在不同的熔炉上的精炼厂，在许多示例中，不同的熔炉以1千米或更大的距离分离开。在对1千米的光纤传输损耗为～1x10^-100数量级的情况下，这需要太多的光纤以能够检测所传输的2330nm的光。多模捕捉光纤的长行程的其他问题是由光纤中的干扰效应生成的模式噪音产生了妨碍吸收峰值的检测、拟合和量化的传输噪音。

图2示出了在捕捉头内或极接近捕捉头使用的双波段检测器200的截面示意图，该双波段检测器200可以结合时分复用策略在不需要使用波长解复用器的情况下检测与接收信号220、225、230分别相关联的每个波长处的第一接收信号220、第二接收信号225和第三接收信号230的每个接收信号。因此，双波段检测器200通过使得检测、数字化和/或信号处理发生在捕捉头中来应对在长长度光纤上传送的2330nm波长光的潜在衰减。结果数据可以通过铜或光纤介质经由以太网协议被传输回中央机架以用于最终处理和量化。

双波段检测器200包括具有第一光检测器层210和第二光检测器层215的夹层式检测器组件305。第一光检测器层210和第二光检测器层215各自被配置成使得可以检测每个相应波长的每个接收信号220、225、230。例如在一些实施方式中，第一光检测器层210可以是硅(si)pin光检测器层并且第二光检测器层215可以是扩展型砷化铟镓(ex-ingaas)光检测器以用于检测具有760nm波长的第一接收信号220、具有1350nm波长的第二接收信号225以及具有2330nm波长的第三接收信号230。通过sipin光检测器210很好地检测到来自第一接收信号的760nm光，然而近红外(～1至3微米)中包括第二和第三接收信号225、330的波长的穿过sipin光检测器210的波长未被检测到。因此，较长的波长对从大约1.3微米到2.5微米敏感的第二光检测器层、ex-ingaas光检测器215有明显作用，。然而，ex-ingaas光检测器215在不借助更复杂的技术的情况下不能区分第二接收信号215与第三接收信号230，更复杂的技术为诸如频分复用(fdm)，即以两个不同的频率调制第二和第三接收信号以及基于所检测的光的频率进行判别。因此，在没有fdm的情况下，双波段检测器200不能用于同时检测信号。通过使用tdm，如同上文所建议的用于光纤束组件100，三个接收信号220、225、230中的仅一个接收信号在任何给定时间将被接通，消除了对第二接收信号225和第三接收信号230的1350nm光束和2330nm光束的物理分离的需求。通过这种方式，使用tdm和双波段检测器可以消除对在接收侧解复用的需求。

图3是根据多个实施方式的宽间隔波长tdlas系统300的框图。宽间隔波长tdlas系统300包括用于生成特定波长的激光的第一激光源305、第二激光源310和第三激光源315。例如，激光源305、310、315可以是一系列可调谐二极管激光器。第一、第二和第三激光源305、310、315各自被配置成生成与测量区中每个关注物质的吸收光谱中的吸收谱线相对应的特定波长的激光束。例如在一些实施方式中，第一激光源305生成与氧气分子(o2)的检测相对应的760nm的激光束，第二激光源310生成与水分子(h2o)的检测相对应的1350nm的激光束，并且第三激光源315生成与一氧化碳分子(co)的检测相对应的2330nm的激光束。在这个示例中，以说明的方式仅设置三个激光源，应该理解的是，在其他实施方式中，可以使用任何数量的激光源以生成任何其他数目的选定吸收谱线波长的激光束。在一些实施方式中，每个激光源305、310、315在机架或室中被集中容置并控制，机架或室可以远离测量站点。

来自每个激光源305、310、315的信号光耦接至多个投射头320a至320n。在一些实施方式中，来自每个激光源305、310、315的信号在多个投射头320a至320n中的每个投射头之间切换以沿着多条路径a-a到n-n中的每条路径进行测量。为了确保单模行为，可以针对至每个投射头320a至320n的每个波长的光设置光开关，使得能够以连续的方式从每个投射头投射一种波长。

替选地，一些实施方式需要来自每个激光源305、310、315的信号沿着多条路径中的每条路径被分离，使得向多个投射头320a至320n中的每个接头并行地(同时地)提供相应的激光束。宽间隔波长tdlas系统通常用在基本上无粒子的测量区诸如玻璃熔炉和其他燃气熔炉中，从而导致由熔炉本身引起的可忽略不计的激光功率衰减。因此，来自激光源305、310、315的光可以被分离以并行地服务多条路径而不是在每个投射头320a至320n之间连续地切换光，这需要其中激光功率衰减足够高使得所有功率必须可用于在每条路径上进行测量的高散射应用诸如煤炭和钢铁电弧熔炉。与上述的时分复用策略相结合，可以针对物质同时测量所有的路径a-a到n-n，并且可以在所测量的物质(即波长)之间而不是多条路径之间发生切换。

光纤束组件325a至325n被设置成用于将来自每个激光源305、310、315的每个激光束传递到相应的投射头320a至320n。在一组实施方式中，如上文关于图1和图2中所述的，来自每个激光源305、310、315的信号在与每个信号的波长相对应的相应单模光纤上传送。然后，光纤束组件325a至325n传输每个激光束以在给定时间产生具有仅一个波长光束的离散的时分复用信号。单模操作被维持在波长的整个范围内并且被传递到投射头320a至320n中的单组投射镜片。

投射头320a至320n可以包括准直器或其他投射镜片以投射离散的时分复用光束穿过测量区330。每个相应的捕捉头335a至335n在测量区另一边与相应的投射头335a至335n间隔开。投射头320a至320n中的每个投射头与相应的捕捉头335a至335n对准使得每个离散的时分复用光束由捕捉头接收。在一些实施方式中，投射头和/或捕捉头经由如'755专利所描述的自动对准系统来对准，下文关于图6进一步详细描述。

在多个实施方式中，捕捉头335a至335n还可以可选地包括用于接收每个时分复用光束的相应光纤束组件340a至340n。例如在一些实施方式中，可以使用光纤束组件335a至335n使得与传输信号的特定波长相对应的纤芯被对准以接收光束。例如在一些实施方式中，捕捉头335a可以包括将波长束光束聚焦在光纤束的合适的光纤上的透镜。然后，自动对准系统可以调节透镜、捕捉侧光纤束组件340a、投射侧光纤束组件、投射头或这些元件的组合以将光束与捕捉侧光纤束组件340a进行对准。

所接收的光束由捕捉头335a至335n引导到相应光检测器345a至345n上。在一些实施方式中，相应的单模光纤用于传送每个波长的信号。在其他实施方式中，信号可以由多模光纤接收、传送。在多个实施方式中，光检测器345a至345n可以极为接近捕捉头335a至335n使得用于从捕捉头335a至335n到光检测器345a至345n传送信号的光纤的长度最小。在又一些实施方式中，光检测器345a至345n可以设置在每个捕捉头335a至335n内，使得在每个捕捉头335a至335中的一个或更多个接收镜片将所接收的光束直接聚焦在相应的光检测器345a至345n上。

每个光检测器345a至345n被配置成检测和测量所接收的每个波长的光的光强度。在一个实施方式中，光检测器345a至345n是如图2中所描述的双波段光检测器200。然后，来自光检测器345a至345n的测量被传输回控制系统350以用于进一步处理和分析。在一些实施方式中，控制系统350可以位于中央机架上并且数据可以通过物理链路诸如铜或光纤介质或者通过通信网络被直接传输回中央机架，通信网络包括但不限于局域网(lan)、广域网(wan)、虚拟网络、英特网、内联网或个人区域网络。至通信网络的连接可以是有线或无线的。在多个实施方式中，控制系统350可以用作反馈回路的一部分以控制测量区330中的燃烧环境。在一些实施方式中，对所接收的信号的一些处理(例如波形平均)可以通过例如现场可编程门阵列(“fpga”)发生在头部中以使回到控制系统的带宽传输需求最小。

图4是根据多个实施方式的用于宽间隔波长tdlas400的方法的流程图。在框405处，在目标物质的选定吸收谱线波长处选择激光束。在一些实施方式中，如在下文关于框420更详细地描述的，可以根据在要被生成的每个激光束之间进行切换的tdm方案生成激光束，而在其他实施方式中，可以同时生成激光束。在一个实施方式中，在至少第一波长诸如与100ppm水平的co的检测相对应的一种波长以及第二波长诸如与o2的检测相对应的一种波长处生成激光束。在这个示例中，第一波长和第二波长还可以是宽间隔的以使其不能由共同的单模光纤传播。

相反，在框410处，每个激光束通过针对每个特定波长的激光束的相应单模光纤传送。光束由相应的单模光纤传送到光纤束组件。例如在一些实施方式中，投射头可以包括光纤束组件的全部或部分。在其他实施方式中，光纤束组件可以和投射头分开。

在框415处，光纤被布置成光纤束组件。如上文关于图1所描述的，在多个实施方式中，每个光纤的远端的涂层被剥离，并且，将其原封未动的包层和纤芯布置成三角形结构。这种三角形结构被封装以形成光纤束。

在框420处，光纤束组件传输探测信号穿过测量区。探测信号可以包括分别在每个选定波长的分量信号，其中，每个分量信号通过相应的单模光纤传送。在多个实施方式中，仅一个波长的分量信号可以根据tdm序列在给定时间经由光纤束组件传输。

在框425处，探测信号在隔着测量区与投射头间隔开的捕捉头处被接收。在多个实施方式中，捕捉头可以使用一个或更多个接收镜片以将探测信号引导到多模光纤、相应的单模光纤、光纤束组件、光检测器或适于捕捉头的特定配置的其他器件。例如在一些实施方式中，捕捉头可以采用相应的光纤束组件，所述相应的光纤束组件可以用于使用与该波长相对应的单模光纤来接收每个波长的分量信号。在另外的实施方式中，捕捉头还可以采用如'755专利中所描述的自动对准系统，所述自动对准系统基于所接收的波长束光束的所检测的光强度来动态地调节捕捉头倾倒和倾斜以保持与投射头的对准。在一些实施方式中，光检测器可以设置在捕捉头内，并且捕捉头可以引导所接收的波长束光束通过自由空间(空气)直接进入内部光检测器。

在框430处，检测探测信号的每个分量波长。为了实现这个，诸如通过与关于图2所描述的双波段光检测器200相结合地使用tdm系统可以设置能够检测每个分量波长的单个光检测器组件。替选地，可以分别使用对每个选定的波长敏感的单独的光检测器。

在框435处，针对每个相应的分量波长经由光检测器确定光强度。然后，光强度可以由位于捕捉头中或单独地位于远程站点的其他部件进一步处理，以确定测量区中目标物质在探测信号的路径上的相对浓度。

在可选择的框440处，基于测量区中所测量的至少一个物质的浓度来调节一个或更多个燃烧参数。燃烧参数可以包括但不限于燃料成分、浓度、量、空燃比或其他燃料相关参数；进气口或阀门参数；整体炉温；提供给电弧熔炉中的电极的电压；或影响测量区内的燃烧特性的任何其他输入参数。

在一组实施方式中，控制系统可以基于确定多个目标物质的浓度来调节一个或更多个燃烧参数。在一些实施方式中，目标物质可以是燃烧过程的各种特征的指示，诸如由燃烧过程产生的燃烧平衡、效率和排放。例如，可以与所测量的co和o2的浓度相对应地调节空燃比；可以与所测量的co、co2、o2浓度或co、co2和o2的混合等相对应地调节燃料浓度。可以基于相应的所测量的至少一个物质的浓度调节燃烧参数。

在另外的实施方式中，可以基于与测量区的相应区域相对应的测量在测量区的每个区域中独立地调节燃烧参数。例如，根据两对或更多对的投射头和捕捉头的测量所得到的测量浓度可以与由每对投射头和捕捉头的相应的测量路径所限定的测量区的区域相对应。因此，基于上述被限定区域的测量浓度，可以在所限定的区域中本地地调节燃烧参数。例如，在常规的熔炉中最直接影响所限定区域的一个或更多个燃烧器可以被识别并且燃烧参数可以针对所识别的燃烧器单独地被调节。

图5示意性地描绘了来自宽间隔波长tdlas系统500中的光纤束组件的多个纤芯的光束发散。宽间隔波长tdlas系统500包括接收透镜535、捕捉头555和位于传输准直镜片530后的投射侧光纤束组件505。捕捉头可以可选地包括在虚线中所示的光检测器560。如上关于图1所述，每个投射侧光纤束组件505包括具有三个单模光纤的光纤束。每个单模光纤传送相应波长的激光。每个单模光纤的涂层被剥离并且每个单模光纤以三角形结构布置。消色差双合透镜(未示出)或其他合适的准直镜片530可以被用于准直来自光纤束的光。

由于光在焦平面上的横向偏移，每个光束将轻微地发散并且由透镜535聚焦在捕捉头镜片的焦平面的不同位置，随着投射头和捕捉头之间的距离的增加而线性地增加。这种横向偏移由源自每个纤芯的发散锥515、520、525分别示出。光学路径x-x、y-y和z-z与三个锥515、520、525中的每个的光束相对应。因此，当被透镜535聚焦时，每个光束被聚焦到空间中不同的点。例如，源自三角形束结构的最上端光纤的具有发散锥515并且采用光学路径x-x的光束聚焦在点540指示的位置。来自右下光纤的具有发散锥520并且沿光学路径y-y行进的光束聚焦在点545指示的位置。来自左下光纤的具有发散锥525并且沿光学路径z-z行进的光束聚焦在点550指示的位置。因此，当光束到达捕捉头555时，捕捉头555必须被对准以接收点540、545、555处的与所传输光束相对应的信号。在多个实施方式中，捕捉头可以包括'755专利中描述的自动对准系统，并且下文关于图6进一步详细描述。在一些实施方式中，捕捉头555可以仅包括用于检测每个所传输波长的光检测器560，因此，捕捉头555、投射头(未示出)或两者被调节，使得光束由传感器接收。因此，光检测器560必须被定位成使得光检测器560将在传输时间的窗口期间接收点540处的相应光束，在传输时间窗口期间接收点545处的相应光束，在合适的时间窗口接收点550处的相应光束。

在替代的一组实施方式中，光束可以被引导成朝向捕捉头中的相应光纤。例如在一些实施方式中，捕捉头可以包括捕捉侧光纤束组件，其中，捕捉头555、捕捉侧光纤束组件、投射头(未示出)、投射侧光纤束组件505或者这些元件的组合必须通过自动对准系统对准，使得每个波长光束由捕捉侧光纤束组件的光纤束的相应纤芯接收。例如在一些实施方式中，捕捉侧光纤束组件的最顶端光纤可以与投射侧光纤束组件505的最顶端光纤相对应，或者捕捉侧光纤束组件的最顶端光纤可以与投射侧光纤束组件505的最顶端光纤的类型相同。类似地，左下处的光纤可以与另一个相对应，并且右下处的光纤也可以与另一个相对应。

图6是针对宽间隔tdlas系统的自动对准系统600的系统框图。自动对准系统600包括耦接到投射头平台675的且与捕捉头620光学连接的投射头605、耦接到捕捉头平台665的捕捉头620。投射头605经由光学路径l-l将光信号传输给捕捉头620。投射头605包括传输镜片610，以及，在多个实施方式中可选地包括光纤束组件615。捕捉头620包括接收镜片625、可选的光纤束组件630(在虚线中示出)以及传感器635。

投射头平台675耦接到一个或更多个控制装置670，并且捕捉头平台665耦接到一个或更多个控制装置660。控制装置660、670中的每个以连通的方式耦接到电子控制器655。电子控制器655耦接到控制系统640。捕捉头620的传感器635也以连通的方式耦接到控制系统640，向控制系统640提供测量数据用于基于所测量的信号的其他计算和功能中的基于反馈的对准控制。在多个实施方式中，传感器635包括如上文关于图2所描述的双波段检测器。控制系统640包括处理器645、存储器650以及计算机可读介质680。控制系统可以包括可以被存储在计算机可读介质680上并且被加载到系统存储器650中的各种计算机指令和软件元件。系统存储器650可以包括但不限于可编程可闪速更新的只读存储器(rom)或随机存取存储器(ram)等。

每个捕捉头和投射头分别附接到捕捉头平台665和投射头平台675。捕捉头平台665和投射头平台675沿至少两个自由度轴线可调节。例如在一组实施方式中，捕捉头平台和投射头平台可以使得倾倒和倾斜能够围绕正交于光轴l-l的轴线，并且围绕光轴l-l旋转。在另外实施方式中，捕捉头平台665和投射头平台675还可以沿正交于光轴l-l的平面侧向移动，以及沿光轴l-l横着向前和向后移动。倾倒、倾斜、旋转、侧向和轴上移动可以由一个或更多个相应的控制装置660、670驱动。控制装置660、670包括但不限于伺服电动机、步进电动机、气动驱动器、液压驱动器或任何其他用于调节捕捉头平台665和投射头平台675的位置的驱动的电动机械装置。根据另一组实施方式，投射头605和捕捉头620的每个部件可以被独立地控制，其中，每个部件被安装在单独的可调节级上。例如在多个实施方式中，传输镜片610、光纤束组件615、投射头605、接收镜片625、可选的捕捉侧光纤束组件630、光检测器635和捕捉头620中的任何或所有可以被安装在独立的可调节级上。

控制装置660、670可以由电子控制器655控制。在系统对准期间，多个实施方式需要控制系统640监视由传感器635所检测的接收激光的光功率。未对准将减小接收信号的光功率。在自动对准期间，控制系统640测量来自传感器635的检测信号并且引导电子控制器655使控制装置660、670中的一个或两个沿一个方向移动预定位移。然后，控制系统640再测量检测信号。如果信号增加，则控制系统640引导电子控制器655使控制装置660、670继续沿相同方向逐步移动直到信号不再继续增加。然后，控制系统640将引导电子控制器655使一个或更多个控制装置660、670的其他控制装置沿着正交于之前的轴线的轴线移动。可以以这种方式进行倾倒、倾斜、侧向以及横向移动以对准投射头605和捕捉头620。以这种方式，传感器635出于自动对准目的提供反馈给控制系统640。在其他实施方式中，投射头和捕捉头可以沿着多个轴线同时地、以可替换地方式或者顺序地一次一个轴线地对准。在一些实施方式中，控制系统640可以仅将所测量的信号水平转发给电子控制器655，然后，电子控制器655可以根据所测量的信号水平进行对准过程。在其他实施方式中，控制系统640可以无需电子控制器655直接向控制装置660、670发送控制信号。在多个实施方式中，控制系统640可以独立地或者以组合方式移动捕捉头平台665和投射头平台675。

由于光纤束组件的纤芯的横向偏移(即在焦平面上的偏移)，每个所传输的光束将轻微地发散。因此，当未被接收镜片625准直时，光束将被聚焦在空间中不同的点。因此，当被系统自动对准时，可能需要对应于来自光纤束的每个纤芯的每个信号的多个对准。在一些实施方式中，控制系统640可以针对与每个相应的纤芯相对应的每个波长光束来运行自动对准过程。因此，捕捉头620必须被对准使得传感器635接收来自投射侧光纤束组件615的相应的波长光束。

在多个实施方式中，自动对准过程可以在实际操作前进行，并且针对每个接收波长光束的对准位置可以由电子控制器655和/或控制系统640存储，并且捕捉头620可以被调节到与所传输的波长光束相对应的所存储的位置中的每个位置。在其他实施方式中，捕捉头620的对准可以在每个光束被传输时被实时调节。

在一个方面，实施方式可以采用控制系统640执行根据本发明的多个实施方式的方法。根据一组实施方式，这样的方法的过程的一些或全部由控制系统640响应于执行一个或更多个顺序的一个或更多个指令的处理器645来进行。一个或更多个指令可以被并入操作系统和/或可以包括在存储器650中的诸如应用程序的其他代码中。这样的指令可以从计算机可读介质680读取到诸如一个或更多个存储装置(未示出)的存储器650中。

替换的二色光束组合器架构

图7示出了根据多个实施方式的用于使用二色光束组合器700以单模操作从单个投射头向相对应的单个捕捉头传输宽间隔波长光束的替换架构。二色光束组合器700被设置在宽间隔波长tdlas系统的传输投射头、捕捉头或者投射头和捕捉头两者中。

二色光束组合器700包括具有第一二色元件705和第二二色元件710的壳体730。二色元件705、710中的每个用作二色光束分束器或者反射特定波长或特定范围的波长的光的镜子，同时允许其他波长的光穿过。例如根据一组实施方式，单模光纤715可以用于传输2330nm波长光，单模光纤720用于传输1350nm光，以及单模光纤725用于传输760nm光。因此，二色元件705、710被选定以使得2330nm光能够穿过，其中，二色元件705反射1350nm的光，并且二色元件710反射760nm的光，但是也允许1350nm的光穿过。

因此，每个波长的激光束经由适于该波长的相应的单模光纤715、720、725进入二色光束组合器700，其中，每个单模光纤715、720、725光耦接到壳体730。壳体730，单模光纤715、720、725以及二色元件705、710被配置并且对准以产生通过准直透镜735在壳体730的出口光阑处被准直的组合波长的光束。

使用二色光束组合器700架构时，可以使用tdm或wdm配置。例如根据一组实施方式，可以以替换的方式传输多个波长的光，其中，在给定时间仅传输一个波长的光。在使用tdm配置的实施方式中，捕捉头可以包括用于直接接收传输信号的光检测器。替选地，可以使用相对应的捕捉侧二色光束(去)组合器。根据另一组实施方式，可以使用wdm配置，其中，同时传输每种波长的光。在这样的配置中，可以使用对应的二色光束组合器组。

当使用一对对应的投射侧和捕捉侧二色光束组合器700时，正如投射侧二色光束组合器可以用于产生组合波长的光束，捕捉侧二色光束组合器可以用于对组合波长的光束进行去组合。例如在一些实施方式中，投射侧二色元件705、710可以被选定以使得2330nm光能够穿过，其中，二色元件705反射1350nm的光，并且二色元件710反射760nm的光，但是也允许1350nm的光穿过。在接收侧，二色元件705、710同样可以被选定以使得2330nm光能够穿过，但是其中，在捕捉侧的二色元件710反射760nm的光，同时允许1350nm和2330nm的光穿过，在捕捉侧的二色元件705反射1350nm的光，但是允许2330nm的光穿过。

在另外的实施方式中，二色光束组合器还可以结合关于上述实施方式所描述的光纤束组件以及关于光纤束组件所描述的自动对准系统使用。

虽然为了便于说明，文中描述的方法和处理的过程以特定的顺序进行描述，但是除非上下文另有说明，否则可以根据多个实施方式再排序、添加和/或省略多个过程。另外，关于一个方法或处理所描述的过程可以与其他所描述的方法或处理组合，同样地，根据特定结构架构和/或关于一个系统所描述的系统部件可以被组织在可替换的结构架构和/或整合于其他所描述的系统内。因此，虽然为了便于说明且示出这些实施方式的示例性方面，在具有或不具有某些特征的情况下描述了多个实施方式，但是除非上下文另有指示，否则文中关于特定实施方式描述的多个部件和/或特征可以被替代、添加和/或从其他所述实施方式之中减去。因此，虽然在上文中描述了多个示例性实施方式，但是将理解的是，本发明旨在涵盖本文权利要求的范围内的所有修改和等同方式。