一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法与流程

本发明涉及测量测试，具体涉及一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法。

背景技术：

1、可调谐半导体吸收光谱(tdlas)技术利用窄线宽可调谐半导体激光器，通过调节激光器的波长使其持续扫描通过待测气体目标吸收线，获得待测气体的吸收特征，从而实现气体测量的目的。该技术具有灵敏度高、响应快、光谱分辨率高、能够实现多组分原位测量的特点，被广泛应用于光谱参数研究、大气痕量气体检测、工业过程控制以及燃烧流场诊断等领域。

2、tdlas技术根据加载的电流模式分为直接吸收光谱技术和波长调制光谱技术，在某些测量环境(如目标吸收线线强较弱、光束传输损耗较大以及无吸收基线选取困难等)波长调制光谱技术的适应性更强，一般其测量灵敏度高于直接吸收技术2～3个数量级。在实际应用时，场参数的测量精度均依赖于吸收模型的精确构建，当模型计算结果与实测值能够直接比较时即认为模型的精度满足测量需求，激光器的出光频率-时间响应是吸收模型中的重要输入参数，表征激光器的出光特性，实现其精确测量对流场参数测量非常重要。传统的测量方法利用法布里珀罗(f-p)标准具，遵循多光束等倾干涉原理，将频域点再通过拟合的方法得到激光器频域特性。在实际应用时难以找到适用于所有调制深度和出光波长的标准具，并且存在标准具加工难度大、拟合误差难以消除以及频域分辨率不足的问题。

3、因此，需要一种可快速测量激光器出光频率响应的方法。

技术实现思路

1、本发明是为了解决波长调制技术中激光器频率时间响应快速测量问题，提供一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，根据激光器工作参数注入工作电流并控制工作温度，使激光器通过标准吸收池；利用经过吸收池的光强信号模拟得到无吸收光强信号作为背景，将扣除背景的归一化2次谐波作为拟合目标函数，激光器频率-时间响应模型作为拟合参数，实现出光频率响应的精确测量。本发明解决了波长调制技术激光器频率-时间响应快速测量难题，将本发明的激光器出光频率-时间响应测量方法应用于相关工程领域，为复杂环境组分浓度的精确测量解决关键技术问题，同时为吸收模型的精确构建提供精确的量化参数，使波长调制光谱技术的应用范围进一步拓展。

2、本发明提供一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，使激光器通过吸收池，利用经过吸收池的吸收后光强it(υ)模拟得到无吸收光强i0(υ)并将无吸收光强i0(υ)作为背景，将扣除背景的归一化2次谐波作为拟合目标函数，激光器频率-时间响应模型作为拟合参数，通过非线性最小二乘拟合得到激光器出光频率响应，快速测量激光器出光频率响应的方法完成。

3、本发明所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，作为优选方式，包括以下步骤：

4、s1、激光器的输出光经准直后通过吸收池，经吸收池内的气体介质吸收后输出到探测器，探测器将光信号转化为电信号得到吸收后光强it(υ)；

5、s2、通过非线性最小二乘拟合获得与吸收后光强it(υ)对应的无吸收光强i0(υ)，将无吸收光强i0(υ)作为背景；

6、s3、利用软件解调的方式对无吸收光强i0(υ)和吸收后光强it(υ)进行相同处理，得到x通道的实测二次谐波信号x2f、x通道的背景谐波信号y通道的实测二次谐波信号y2f、y通道的背景谐波信号并得到实测二次谐波信号s2f-nor-bgsub-mean；

7、s4、在激光器频率-时间响应模型中得到扣除背景二次谐波信号s2f-nor-bgsub-sim，扣除背景二次谐波信号s2f-nor-bgsub-sim为模拟信号；

8、s5、改变激光器频率-时间响应模型的参数以改变扣除背景二次谐波信号s2f-nor-bgsub-sim，当满足迭代条件时，得到目标参数，目标参数υ(t)为精确激光器出光频率响应，快速测量激光器出光频率响应完成。

9、本发明所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，作为优选方式，步骤s1中，向激光器中注入低频锯齿扫描叠加高频正弦调制后再使激光器的输出光准直耦合进入吸收池，激光器的输出光被目标气体吸收后输出，气体介质包括目标气体，吸收池提供固定的温度、压力、组分浓度和有效光程。

10、本发明所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，作为优选方式，步骤s1中，激光器的光强时间响应为：

11、

12、其中，i0(t)为激光器的初始光强，为激光器中心频率处的平均光强，i0为被归一化的线性强度调制幅度，i2为被归一化的非线性强度调制幅度，为i0对应的线性强度调制与频率调制的相位差，为i2对应的非线性强度调制与频率调制的相位差，f为正弦调制的频率，t为时间；

13、激光器被高频正弦电流调制时，光强被调制的同时频率也被调制，被调制后的激光器出光频率υ0(t)为：

14、

15、其中，为平均出光频率，ai、θi为频率描述模型系数，a为频率调制幅度，θ为初相，当i＝1时υ0(t)为线性参数，i＝2时为υ0(t)非线性参数；

16、步骤s2中，吸收后光强it(υ)中包括吸收信息和无吸收段信息，非线性最小二乘拟合为选取无吸收段信息进行分段拟合的方法，通过i0、i0、i2、的改变进行非线性最小二乘拟合。

17、本发明所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，作为优选方式，步骤s2中，吸收后光强it(υ)和无吸收光强i0(υ)遵循beer-lambert定律；

18、

19、其中，τυ为透过率；

20、根据i(υ)＝i0(υ)exp[-s(t)φ(υ-υ0,t)pχl]得到无吸收光强i0(υ)，其中，υ为激光器出光频率，υ0为吸收谱线中心频率，s(t)为温度t时的吸收谱线线强，φ为归一化的吸收线线型函数，p为吸收池内总压，χ为吸收气体占总气体的摩尔数之比，l为有效吸收光程。

21、本发明所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，作为优选方式，步骤s3中，利用锁相放大器在调制频率的k倍频上解调时，得到k次谐波分量，并得到实测二次谐波信号s2f-nor-bgsub-mean。

22、本发明所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，作为优选方式，步骤s3中，通过低通滤波结合双通道解调方式得到所述实测二次谐波信号s2f-nor-bgsub-mean；

23、

24、本发明所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，作为优选方式，步骤s4中，将实测二次谐波信号s2f-nor-bgsub-mean作为拟合目标，给定激光器出光频率初始参数，并将步骤s1中吸收池的内部压力、温度、组分浓度和有效吸收光程作为常数代入激光器频率-时间响应模型中，重复步骤s3，得到扣除背景二次谐波信号s2f-nor-bgsub-sim。

25、本发明所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，作为优选方式，步骤s5中，对扣除背景二次谐波信号s2f-nor-bgsub-sim进行非线性最小二乘拟合以寻求最佳拟合参数。

26、本发明所述的一种用于快速测量激光器出光频率响应的方法，作为优选方式，步骤s5中，迭代条件为：扣除背景二次谐波信号s2f-nor-bgsub-sim和实测二次谐波信号s2f-nor-bgsub-mean的向量差平方≤10-8；

27、满足拟合条件时，υ(t)＝υ0(t)。

28、根据光学传输规律结合非线性最小二乘拟合，将表征激光器出光频率的模型参数作为拟合向量，拟合目标为通过标准吸收池的谐波信号能够被吸收模型精确描述，吸收模型中的输入变量包括吸光度、线型以及激光器调制参数，其中激光器调制参数分为强度调制和频率调制，除频率参数外其他参数均为已知量，改变描述频率模型的参数，使其与实测的谐波信号拟合，当满足收敛条件时，即可得到激光器出光频率的精确描述参数。

29、激光经过吸收介质后强度变化可表示为：

30、i(υ)＝i0(υ)exp[-s(t)φ(υ-υ0,t)pχl]       (1)

31、其中υ为激光器出光频率(单位：cm-1，与波长成倒数关系)，υ0为吸收谱线中心频率；i0(υ)和i(υ)分别为吸收前和吸收后光强；s(t)为温度t时的吸收谱线线强(单位：cm-2·atm-1)，温度t的单位用k表示；φ为归一化的吸收线线型函数(单位：cm)；χ为吸收气体占总气体的摩尔数之比，即体积比；l为有效吸收光程(单位：cm)。

32、可调谐半导体吸收光谱(tdlas)技术根据半导体激光器加载电流形式分为直接吸收技术(das)和波长调制光谱(wms)技术，当只给激光器加载重复扫描的锯齿波时为直接吸收技术，当加载锯齿波和频率为f的正弦调制时为波长调制技术。

33、波长调制技术的激光器光强时间响应可以表示为：

34、

35、其中i0(t)为激光器的初始光强，为激光器中心频率处的平均光强，i0、i2分别为被归一化的线性和非线性强度调制幅度，分别是对应的线性和非线性强度调制与频率调制的相位差，这里只考虑了前两阶强度响应项，这些参数均依赖于激光器的调制参数及其频率和光强响应特性；

36、激光器被高频正弦电流调制时，光强被调制的同时频率也被调制，被调制后的激光器出光频率可表示为：

37、

38、其中为平均出光频率，ai、θi为频率描述模型系数，a为频率调制幅度，θ为初相，当i＝1时为线性参数，i＝2时为非线性参数。将激光器准直后打入标准吸收池，吸收池提供固定的温度、压力、组分浓度以及有效光程；

39、激光经过标准吸收池后，被内部的气体组分所吸收，出射光束打到探测器上经光电转换得到光强it(t)，光强中包含高频吸收信息，根据得到的透射光强it(t)选取无吸收部分通过分段拟合得到无吸收光强i0(t)。；

40、透射光强it(t)和无吸收光强i0(t)同时经过相敏检测和低通滤波器，得到扣除背景并被峰值归一化的二次谐波信号，可表示为：

41、

42、其中x2f、分别表示x通道的二次谐波信号和背景信号，y2f、分别表示y通道的二次谐波信号和背景信号；

43、实测二次谐波信号s2f-nor-bgsub-mean作为拟合目标，给定激光器出光频率初始参数，并将式(3)中的吸收池内部压力、温度、组分浓度以及有效吸收光程作为常数代入到吸收模型中得到模拟的二次谐波信号s2f-nor-bgsub-sim，通过改变吸收模型参数使模拟和实测二次谐波信号完成拟合，满足收敛条件时的频率时间响应参数即可用于描述激光器出光频率特性。

44、本发明通过对特定环境的吸收光谱测量，提取有效吸收信息的谐波信号得到精确的激光器出光频率响应，利用与创建参考信号相乘的方法将吸收信息转移到直流部分，通过低通滤波结合双通道解调方式提取对相位不敏感的归一化谐波信号，利用非线性最小二乘拟合将激光器的频率调制参数作为拟合参数，实现出光频率响应的精确测量。本发明解决了波长调制技术激光器频率-时间响应快速测量难题，将本发明的激光器出光频率-时间响应测量方法应用于相关工程领域，为复杂环境组分浓度的精确测量解决关键技术问题，同时为吸收模型的精确构建提供精确的量化参数，使波长调制光谱技术的应用范围进一步拓展。

45、本发明具有以下优点：

46、(1)、本发明通过软件计算的方式得到精确的激光器出光频率响应，解决现有传统方法精度低、可操作性低以及标准具加工困难的问题；利用激光器通过标准吸收池结合非线性最小二乘拟合的方式，将实测二次谐波信号与模拟信号进行拟合，频率时间响应描述参数作为拟合变量，最终得到精确的激光器出光频率响应，有效解决激光器频率时间响应测量复杂的问题。

47、(2)、本发明通过双通道背景扣除的方法提高目标函数的信噪比；吸收信号创建过程综合考虑所有吸收线的影响以及线型选择，进一步提高测量准确性。

48、(3)、本发明可用于多类极端流场测量以及复杂吸收信息提取，进一步拓宽tdlas技术的应用范围。