一种可监测波长的激光气体探测方法及系统与流程

本发明属于激光气体探测领域，具体的说，涉及了一种可监测波长的激光气体探测方法及系统。

背景技术：

目前基于tdlas技术的激光探测仪器在天然气站和燃气管网等需要检测燃气泄露的地方有着广泛的应用需求，常见的激光探测仪器分两种，一种为激光遥测类仪器，遥测仪的激光光源发出激光束照射在测量目标后面的背景反射物上，经反射后，遥测仪接收反射光并汇聚到光电探测器上，对接收的光信号进行分析得到测量目标的气体信息。一种为激光对射式仪器，一端为激光出射，一端为激光接收，半导体激光器激光发出后，经过一段待测区域被接收透镜收集，汇聚到光电探测器，对接收的光信号进行分析得到测量目标气体的信息。

现有技术中激光发射系统为半导体激光器直接连接光纤准直器出射，或者to封装半导体激光器经过准直透镜后出射，再由接收透镜收集，汇聚到光电探测器，对接收光信号分析得到气体浓度信息。但是半导体激光器对工作条件要求苛刻，时间以及温度的变化会影响其发射波长、输出功率等参数。而使用tdlas技术进行气体探测时，只有半导体激光器的输出波长准确调谐在被测气体的吸收峰时，气体才会吸收光强，才能从气体吸收后的光信号中，提取到二次谐波信号从而计算出待测气体的浓度信息。实际应用中由于激光器的生产工艺及工作环境很难达到理想的条件，激光器在长时间连续工作中，经常会出现激光器中心波长漂移的情况。如果激光器中心波长偏移不大，会导致测量灵敏度降低，测量结果不准确的情况；若激光器波长漂移严重，波长偏离气体吸收线，会导致测量不到气体，系统故障和失效。而此时没有激光器波长的反馈，使用者没有办法察觉到激光器波长已经发生偏移，此时再使用仪器进行检测，会出现漏检。

目前有方案采用主测量光路补偿激光器波长漂移的方法，但是主测量光路一方面不能保证光路实时有测量气体，不能实时进行波长补偿，只有在有测量气体的时候才能进行补偿。另一方面，主测量光路由于信号不稳定，无法保证一个稳定的二次谐波波形，无法根据二次谐波峰值大小实时判断激光器波长的变化，进行实时动态调整。

为了解决以上存在的问题，我们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可监测波长的激光气体探测方法及系统。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明第一方面提供一种可监测波长的激光气体探测方法，将激光器发出的光通过光纤分路器分出两路出射光；

一路出射光为激光器出射光的99%，作为检测激光透射过待检测气体后，被检测光电探测器接收进行待测气体浓度检测；

另一路出射光为激光器出射光的1%，作为参考激光透射过充有标准浓度气体的参考气瓶后，被参考光电探测器接收进行激光器中心波长漂移情况监测；

当监测到激光器中心波长发生漂移时，实时调节激光器内置tec的温度，对激光器中心波长进行修正。

基于上述，激光器中心波长漂移情况监测的方法包括：

对参考光电探测器的信号进行数字采样，进行计算处理，得到参考信号的二次谐波，根据参考信号二次谐波峰值的位置和大小，计算出当前吸收波长和设定的最佳吸收峰位置的偏移量；

当监测到激光器中心波长发生漂移时，根据计算出的吸收峰的偏移量，驱动激光器tec驱动电路调节激光器的温度，将激光器的中心波长锁定到最佳吸收峰位置。

基于上述，若激光器波形调制输出为正弦波或者锯齿波叠加正弦波方式输出，激光器中心波长漂移情况监测的方法为：

对参考光电探测器的输出信号进行数字采样后，进行计算处理，得到输出信号的二次谐波信号，根据二次谐波信号峰值的位置和大小计算出最佳吸收峰位置β，如果位置偏移范围，则判断激光器波长偏移，调整激光器的tec参数，将二次谐波的波峰拉回β点。

基于上述，调整激光器的tec参数的方法为：

激光器自动扫描一个温度范围，确定得到的输出信号的二次谐波信号的峰值最大时的温度值α，将这个温度值α记录，作为激光器原始的温度值；同时设定锯齿波的β点，做为二次谐波的波峰的位置，实时监测二次谐波的波峰的位置，微调激光器的温度值使二次谐波的波峰在锯齿波的点；当激光器波长偏移时，调整激光器的tec，使二次谐波的波峰保持在锯齿波的β点。

基于上述，若激光器波形调制输出为锯齿波方式输出，激光器中心波长漂移情况监测的方法为：

对参考光电探测器的输出信号进行数字采样后，进行计算处理，得到输出信号的二次谐波信号，根据二次谐波信号峰值的位置和大小计算出最佳吸收峰位置γ，如果位置偏移范围，则判断激光器波长偏移，调整激光器的tec参数，将二次谐波的波峰拉回最大。

基于上述，调整激光器的tec参数的方法为：

激光器自动扫描一个温度范围，确定得到的输出信号的二次谐波信号的峰值最大时的温度值α，将这个温度值α记录，作为激光器原始的温度值；

实时监测二次谐波的波峰的大小，微调激光器的温度值α使二次谐波的波峰维持最大；

当激光器中心波长偏移时，调整激光器的tec，使二次谐波的波峰维持最大。

本发明第二方面提供一种可监测波长的激光气体探测系统，包括主探测器、激光器控制系统、激光分路器、信号处理单元和参考探测器；所述激光控制系统包括激光器和用于控制所述激光器的激光控制器；所述激光分路器，用于将所述激光器的出射激光分为99：1，其中99%部分通过准直系统射出作为检测激光，1%部分射出作为参考激光；所述主探测器，用于接收经过待测空间后的检测激光，输出检测信号至所述信号处理单元；所述参考探测器，用于接收经过密封有标准浓度气体的参考气瓶后的参考激光，输出参考信号至所述信号处理单元；所述主探测器与所述信号处理单元连接，输出待测气体浓度检测结果；所述参考探测器通过所述信号处理单元与所述激光控制器连接，完成所述的可监测波长的激光气体探测方法。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著进步，具体的说，本发明能够准确的探测到气体浓度，避免出现激光器波长漂移导致探测不到气体的情况。

附图说明

图1为本发明系统的电路原理示意图。

图2为一种蝶形dfb激光器在激光遥测系统中。

图3为一种to封装dfb激光器在激光遥测系统中。

图4为一种蝶形dfb激光器在激光对射式仪器系统中。

图5为一种to封装dfb激光器在激光对射式仪器系统中。

图中：1、背景反射物；2、接收透镜；3、主探测器；4、光纤分路器；5、激光器控制系统；6、信号处理单元；7、密封参考气瓶；8、参考探测器；9、激光准直出射系统；10、半透半反镜；11、气团。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，一种可监测波长的激光气体探测方法，包括：

将激光器发出的光通过光纤分路器分出两路出射光；

一路出射光为激光器出射光的99%，作为检测激光透射过待检测气体11后，被检测光电探测器接收进行待测气体浓度检测；

另一路出射光为激光器出射光的1%，作为参考激光透射过充有标准浓度气体的参考气瓶7后，被参考光电探测器接收进行激光器中心波长漂移情况监测；

当监测到激光器中心波长发生漂移时，实时调节激光器内置tec的温度，对激光器中心波长进行修正。

具体的，激光器中心波长漂移情况监测的方法包括：

对参考光电探测器的信号进行数字采样，进行计算处理，得到参考信号的二次谐波，根据参考信号二次谐波峰值的位置和大小，计算出当前吸收波长和设定的最佳吸收峰位置的偏移量；

当监测到激光器中心波长发生漂移时，根据计算出的吸收峰的偏移量，驱动激光器tec驱动电路调节激光器的温度，将激光器的中心波长锁定到最佳吸收峰位置。

若激光器波形调制输出为正弦波或者锯齿波叠加正弦波方式输出，激光器中心波长漂移情况监测的方法为：

对参考光电探测器的输出信号进行数字采样后，进行计算处理，得到输出信号的二次谐波信号，根据二次谐波信号峰值的位置和大小计算出最佳吸收峰位置β，如果位置偏移范围，则判断激光器波长偏移，调整激光器的tec参数，将二次谐波的波峰拉回β点。

调整激光器的tec参数的方法为：

激光器自动扫描一个温度范围，确定得到的输出信号的二次谐波信号的峰值最大时的温度值α，将这个温度值α记录，作为激光器原始的温度值；同时设定锯齿波的β点，作为二次谐波的波峰的位置，实时监测二次谐波的波峰的位置，微调激光器的温度值使二次谐波的波峰在锯齿波的点；当激光器波长偏移时，调整激光器的tec，使二次谐波的波峰保持在锯齿波的β点。

若激光器波形调制输出为锯齿波方式输出，激光器中心波长漂移情况监测的方法为：

对参考光电探测器的输出信号进行数字采样后，进行计算处理，得到输出信号的二次谐波信号，根据二次谐波信号峰值的位置和大小计算出最佳吸收峰位置γ，如果位置偏移范围，则判断激光器波长偏移，调整激光器的tec参数，将二次谐波的波峰拉回最大。

调整激光器的tec参数的方法为：

激光器自动扫描一个温度范围，确定得到的输出信号的二次谐波信号的峰值最大时的温度值α，将这个温度值α记录，作为激光器原始的温度值；

实时监测二次谐波的波峰的大小，微调激光器的温度值α使二次谐波的波峰维持最大；

当激光器中心波长偏移时，调整激光器的tec，使二次谐波的波峰维持最大。

本发明还提供了一种可监测波长的激光气体探测系统，包括主探测器、激光器控制系统、激光分路器、信号处理单元和参考探测器；

所述激光控制系统包括激光器和用于控制所述激光器的激光控制器；

所述激光分路器，用于将所述激光器的出射激光分为99：1，其中99%部分通过准直系统射出作为检测激光，1%部分射出作为参考激光；

所述主探测器，用于接收经过待测空间11后的检测激光，输出检测信号至所述信号处理单元；

所述参考探测器，用于接收经过密封有标准浓度气体的参考气瓶后的参考激光，输出参考信号至所述信号处理单元；

所述主探测器与所述信号处理单元连接，输出待测气体浓度检测结果；所述参考探测器通过所述信号处理单元与所述激光控制器连接，完成所述的可监测波长的激光气体探测方法。

具体的，所述信号处理单元，与所述参考探测器连接，用于根据所述参考信号生成激光驱动波形；所述信号处理单元包括微处理器、ad转换器、da转换器，所述参考信号通过所述ad转换器转换后，传给所述微处理器进行激光器吸收峰分析，即二次谐波分析，判断激光器的波长是否处于激光器的吸收峰，如果激光器波长漂移了，所述微处理器生成的新的激光tec控制参数发送至所述激光控制器；

所述激光控制器，与所述信号处理单元连接，根据所述激光驱动波形，实时调整激光器的控制参数，使激光器的波长稳定在气体的吸收峰处。

优选地，所述激光分路器为半透半反镜或光纤分路器。

优选地，所述激光器为to封装dfb激光器或蝶形dfb激光器。

具体的，图2示出了一种蝶形dfb激光器在激光遥测系统中

激光器控制系统5通过控制激光器的温度从而使激光器波长稳定在气体的吸收峰，蝶形dfb半导体激光器通过光纤分路器4将检测激光分为99：1，99%部分通过准直系统9射出作为检测激光，通过气体背景反射物1返回后由接收透镜2收集，主探测器3接收；1%部分通过光纤照射在密封有标准浓度气体的参考气瓶7后，被参考探测器8接收。主探测器3和参考探测器8的信号均传送给信号处理单元6，进行分析处理，从而实时的调整激光器控制参数，使激光器的波长始终稳定在气体的吸收峰处，保证仪器的灵敏度。

图3示出了一种to封装dfb激光器在激光遥测系统中

激光器控制系统5通过控制激光器的温度从而使激光器波长稳定在气体的吸收峰，to封装dfb半导体激光器通过半透半反镜10将检测激光分为99：1，99%部分通过准直系统9射出作为检测激光，通过气体背景反射物1返回后由接收透镜2收集，主探测器3接收；1%部分照射在密封有标准浓度气体的参考气瓶7后，被参考探测器8接收。主探测器3和参考探测器8的信号均传送给信号处理单元6，进行分析处理，从而实时的调整激光器控制参数，使激光器的波长始终稳定在气体的吸收峰处，保证仪器的灵敏度。

图4示出了一种蝶形dfb激光器在激光对射式仪器系统中

激光器控制系统5通过控制激光器的温度从而使激光器波长稳定在气体的吸收峰，蝶形dfb半导体激光器通过光纤分路器4将检测激光分为99：1，99%部分通过准直系统9射出作为检测激光，通过待测空间气团11后由接收透镜2收集，主探测器3接收；1%部分通过光纤照射在密封有标准浓度气体的参考气瓶7后，被参考探测器8接收。主探测器3和参考探测器8的信号均传送给信号处理单元6，进行分析处理，从而实时的调整激光器控制参数，使激光器的波长始终稳定在气体的吸收峰处，保证仪器的灵敏度。

图5示出了一种to封装dfb激光器在激光对射式仪器系统中

激光器控制系统5通过控制激光器的温度从而使激光器波长稳定在气体的吸收峰，to封装dfb半导体激光器通过半透半反镜10将检测激光分为99：1，99%部分通过准直系统9射出作为检测激光，通过待测空间气团11后由接收透镜2收集，主探测器3接收；1%部分照射在密封有标准浓度气体的参考气瓶7后，被参考探测器8接收。主探测器3和参考探测器8的信号均传送给信号处理单元6，进行分析处理，从而实时的调整激光器控制参数，使激光器的波长始终稳定在气体的吸收峰处，保证仪器的灵敏度。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。