一种基于单腔双光梳的温度测量方法与装置

本发明提出一种基于单腔双光梳的温度测量方法与装置，属于激光吸收光谱，该方法可以在非接触条件下对待测气体介质进行组分分析和温度测量。

背景技术：

1、气体温度测量在燃烧诊断、化学反应监测等领域扮演着重要的角色。典型的温度测量方法为侵入式或非侵入式两种。侵入式方法(如热电偶和气体采样)具有测量过程简单的优点而被广泛应用，但侵入式过程会干扰气体流场，无法获得正确的气体参数。非侵入式方法利用非接触式传感器测量气体参数，具有灵敏度高、响应快、可多参数同时测量等优点。非侵入式方法通常通过激光光谱技术实现，例如相干反斯托克斯拉曼散射光谱、平面激光诱导荧光光谱和可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laser absorptionspectroscopy,tdlas)。

2、tdlas因其适应性高、响应快、精度高和可多参数检测等优点而广泛应用于工业和航空航天燃烧室等恶劣现场环境的燃烧诊断。2020年，xu等人发表在《2020ieee国际仪器和测量技术会议》(2020ieee international instrumentation and measurementtechnology conference)第105页的论文《基于强度调制的紧凑型抗噪声tdlas温度传感器》(a compact noise-immune tdlas temperature sensor using intensitymodulation)中，提出一种利用mach-zehnder光纤干涉仪进行光强调制实现噪声免疫的方法。即使在强背景光干扰情况下，该方法也具有很高的噪声抑制能力，为航空发动机尾焰等具有强热辐射干扰的恶劣环境的测量提供了一种新手段。2022年，wang等人在期刊《光谱化学学报a部分：分子和生物分子光谱学》(spectro chimica acta part a:molecular andbiomolecular spectroscopy)第265卷第120333页上的论文《利用tdlas和宽扫描范围dfg激光测量多种碳氢化合物》(multi-species hydrocarbon measurement using tdlaswith a wide scanning range dfg laser)中，设计了基于差频产生方法的tdlas系统，同时测量了覆盖不同基团(例如烷烃、烯烃和芳香族)的直接吸收光谱，验证了tdlas在多组分测量上的能力。然而，tdlas技术获取气体温度和浓度参数常常需要借助两个及以上分布反馈式(distributed feedback，dfb)激光器，进行两条或多个独立谱线的扫描；为获得宽的光谱覆盖范围，一般需要复杂的光学调整系统和硬件系统。

3、相比于tdlas技术，双梳光谱技术(dual-comb spectroscopy,dcs)使用两个光学频率梳激光器进行相干测量，获取气体的吸收光谱信息。dcs技术的光谱宽度通常比tdlas技术中所用的dfb激光器的光谱宽度宽数十倍，还提供高光谱分辨率和高测量精度，作为hitran数据库校准参考。

4、光频梳激光器在时域上输出等时间隔的飞秒脉冲序列，其傅里叶变换对应为频域内一系列等间隔的频率梳齿，通过将光频梳的载波包络频移频率和重复频率锁定到原子钟上，可以获得高分辨率和高稳定性的频谱特性。2004年，德国max-plank研究所的keilmann等人在《光学通讯》(optics letters)上发表的研究论文《时域中红外频率梳光谱仪》(time-domain mid-infrared frequency-comb spectrometer)中首次报道了双光频梳多外差光谱测量方案。在频域内，每个频率梳齿对产生微波拍频，使探测信号从光学频率波段降低到射频微波波段，大大减小了探测难度；在时域内，本振光脉冲等时间步长地在探测光脉冲持续时间内移动与之叠加实现了延迟扫描效果；可同时获得吸收谱和相位谱，探测信号频率低且无机械扫描，测量速度快、信噪比高。2008年，i.coddington等人在《物理评论快报》(physical review letters)上第100卷第013902页上发表的论文《使用稳定光学频率梳测量相干多外差光谱》(coherent multiheterodyne spectroscopy using stabilizedoptical frequency combs)中测量了hcn分子在波长1495-1620nm之间155000个频率间隔为100mhz频率点的吸收谱和相位谱；2011年，e.baumann等人在期刊《物理评论a》(physicalreview a)第84卷第062513页上发表研究论文《甲烷v3波段的精确中红外相干双梳光谱》(spectroscopy of the methaneν3band with an accurate midinfrared coherentdual-comb spectrometer)，论文中改进了实验方案，测得ch4的光谱分辨率小于10khz；2012年，zolot等人将近红外光谱谱宽拓宽到了43thz，实现了超宽吸收光谱测量，覆盖多种分子的吸收谱线，该研究成果已经发表在期刊《光学快报》(optics letters)第4卷第638-640页的论文《覆盖43thz的精确、梳齿分辨的直接光梳分子光谱技术》(direct-combmolecular spectroscopy with accurate,resolved comb teeth over 43thz)中。华东师范大学的zuo等人利用光-光调制频率梳技术，实现了多种气体分子(包括c2h2、ch4、h2co、h2s、cos和h2o)的并行检测，该研究已发表在期刊《光子学研究》(photonics research)第9卷第1358页的论文《基于无源相干光调制频率梳的宽带中红外分子光谱》(broadband mid-infrared molecular spectroscopy based on passive coherent optical–opticalmodulated frequency combs)中。dcs技术除了可以测量超宽范围的吸收光谱，实现多种分子的并行测量外，还可以同时获得多种气体成分的温度、浓度等参数。2016年，科罗拉多大学博尔德分校的p.j.schroeder等人在期刊《燃烧研究所学报》(proceedings of thecombustion institute)的第36卷第4565-4573上发表论文《16mw燃气轮机排气中的双梳激光吸收光谱》(dual frequency comb laser absorption spectroscopy in a16mw gasturbine exhaust)，首次将双光梳吸收光谱技术应用于商业环境，对固定式燃气轮机进行了h2o和co2的温度和浓度的同时监测。然而，由多个腔构成的光梳系统，涉及到各个光梳间的锁定，以产生稳定的相干吸收光谱；两台频率梳的产生需要复杂的频率反馈控制系统，导致该类双光梳激光吸收光谱技术难于实现小型化、低成本，限制了其实际应用。

5、相比之下，单腔双光梳激光吸收光谱技术，只需要利用一台单腔双光梳激光器作为光源，无需复杂的频率反馈控制电路。所使用的单腔双光梳激光器，在同一个锁模激光器中同时产生两个重频差异很小的脉冲对；这两个脉冲来自同一个腔，经历相同的结构和环境条件，之间具有非常好的相对稳定性和互相干性。

6、2016年，zheng等人利用波长复用单腔双光梳激光器对乙炔气体进行了吸收光谱测量，获得了皮米级精度的吸收光谱数据，相应成果已经发表在期刊《光学快报》(opticsexpress)的第24卷第21833页的论文《基于自由运行光纤激光器的皮米分辨率双梳光谱》(picometer-resolution dual-comb spectroscopy with afree-running fiber laser)中。该课题组在期刊《光学快报》(optics express)的第27卷第11406页的论文《基于自由运行掺铒光纤激光器的甲烷双梳光谱》(dual-comb spectroscopy of methane based on afree-running erbium-doped fiber laser)中利用孤子自频移现象，将波长复用单腔双光梳激光器产生的激光波长从1550nm附近转移到了1650nm附近，并对甲烷进行了吸收光谱测量，经过1.96s的相干平均，获得的吸收光谱曲线与hitran数据库相比的残差仅约0.006。同年，日本东京大学的takuro ideguchi等人发表在《光子学》(optica)第3卷第748页的论文《克尔透镜锁模双向双梳》(kerr-lens mode-locked bidirectional dual-comb ring)中，利用一台锁模双向双梳测量了nd:yvo4 crystal的吸收光谱，验证了该激光器具有高度相干性和稳定性。2017年，瑞士的苏黎世联邦理工学院s.m.link等人在期刊《科学》(science)第356期第1164-1168页上发表的论文《自由运行半导体激光器测量水蒸气的双梳光谱》(dual-comb spectroscopy of water vapor with a free-running semiconductor disklaser)中，利用偏振复用双梳激光器作为光源，成功测量了水蒸气的吸收光谱数据，实验装置十分简单。2021年，xu等人发表在期刊《燃烧科学与技术》(combustion science andtechnology)第194卷第2523-2538页上的论文《基于自由运行光纤激光器的层流预混合火焰双梳光谱技术》(dual-comb spectroscopy for laminar premixed flames with afree-running fiber laser)，利用自适应单腔双光梳吸收光谱技术对ch4/o2/空气预混火焰进行了测量，得到了6503cm-1～6535cm-1内的吸收光谱，实现了9.5×10-5cm-1的等效噪声吸收系数。除了能获得振幅谱数据之外，单腔双光梳光谱技术还具有获取相位谱数据的能力。2019年，加拿大拉瓦尔大学的g.philippe等人发表在期刊《光学通讯》(opticsletters)第43卷第1407页的论文《使用自由运行的全光纤双电光频率梳系统对h13cn进行精密光谱分析》(precision spectroscopy of h13cn using a free-running,all-fiberdual electro-optic frequency comb system)中测量了甲烷在r和q带的吸收光谱数据，并同时获得了振幅谱和相位谱数据。单腔双光梳激光器除了用于光谱分析领域之外，还广泛用于距离测量、3d地形描绘和流速测量等领域。2021年，nürnberg等人发表在《光学快报》(optics express)上第29卷第24910页上的论文《基于单自由运行激光频率梳的双梳测距》(dual-comb ranging with frequency combs from single cavity free-running laseroscillators)中演示了从自由运行的二极管泵浦半导体和固态激光振荡器中直接输出双梳脉冲进行激光测距，实现了0.55μm的测量分辨率。通过进一步优化，该技术的分辨率将远低于1μm，且射程将远高于1km。p.trocha等人在期刊《科学》(science)第359期第887–891页的论文《使用微谐振腔孤子频率梳的超快光学测距》(ultrafast optical ranging usingmicroresonator soliton frequency combs)中利用微腔双梳技术进行测距，该技术在平均时间为13us时艾伦偏差降至12nm，允许100mhz采集速率下的超快测距，并可以对移动速度为150m/s的炮弹进行采样。该技术将集成孤子双梳测距系统与芯片级纳米光子相控阵相结合，可以实现小型超快测距系统。2021年，zhou等人发表在期刊《光子学研究》(photonicsresearch)的第9卷第243页的论文《双梳光谱分辨三自由度传感》(dual-combspectroscopy resolved three-degree-of-freedom sensing)中设计了一个3自由度传感器，结合双梳技术可实现移动物体的距离、俯仰以及偏转角度的测量。

7、尽管单腔双光梳激光器已经应用于光谱分析、距离测量、3d地形描绘等领域，但高的光谱精度、小的基线偏差和窄的光梳光谱测量范围等要求，使得单腔双光梳光谱技术仍难以应用于气体温度测量。对于具有明显相位漂移的单腔双光梳激光器而言，获得高光谱精度并提取基线是一个严峻的挑战，但常见的求解气体温度的多光谱拟合算法对基线偏差很敏感。由于光梳光谱测量范围由两个异步脉冲的重复频率和频率差决定，这两个因素是负相关的。换言之，光梳光谱测量范围将受到光谱分辨率和测量速度的限制。在进行气体参数测量时，为了获得高光谱分辨率和快速响应，需要减小光梳光谱测量范围，这会影响气体参数测量精度。此外，上述的单腔双光梳激光器是由材料可饱和吸收体或者单重非线性偏振旋转锁模效应或者二者的混合锁模实现的。其中，材料可饱和吸收体锁模具有不容易受到环境温度和振动的影响，但是会受到弛豫时间限制。换句话说，可饱和吸收体在漂白恢复时间内不具备可饱和吸收效果，此时噪声光会无损耗通过，这使得可饱和吸收体锁模产生的脉冲具有较大的振幅噪声。基于单重非线性偏振旋转锁模技术的单腔双光梳激光器不借助材料本身的可饱和吸收效应，无弛豫时间限制，具有波长可调、调制深度大、响应时间短等优点，可以产生高稳定性的脉冲。但是其工作状态会受到环境温度、外部振动、偏振退却等因素的影响，使得锁模状态发生变化甚至失锁，锁模困难且难以实现自启动。

8、基于以上背景，本发明提出了一种基于单腔双光梳的温度测量方法与装置，可实现待测气体温度的快速精确测量。并非采用材料可饱和吸收体锁模技术，而是采用双重非线性偏振旋转锁模技术，这可以明显提高脉冲重频梳齿信噪比和脉冲功率稳定性，进而抑制本振光梳和探测光梳的振幅噪声，提高温度测量精度；相比于单重非线性偏振旋转锁模技术，采用双重非线性偏振旋转锁模技术，脉冲两翼的噪声光被二次吸收，使得脉冲经历二次窄化，进一步提高了脉冲的信噪比和稳定性，更易实现锁模自启动；利用一个温度控制器保证单腔双光梳激光器工作在一个恒定的温度条件下，可以解决该激光器在工作过程中因为温度变化、偏振退却而失锁的问题。本振光梳和探测光梳进行异步光学采样获得干涉图数据，进而可以提取出气体的吸收光谱信息；通过频域差分以及时域分离，利用多光谱拟合算法对测量得到的吸收光谱数据进行拟合，即可提取出气体的组分和温度；该方法与装置有效地抑制了基线误差对多光谱拟合精度的影响，提高了温度求解精度，具有强基线免疫能力、抗噪声能力和鲁棒性。即使在测量光谱范围较窄，可用谱线较少时，该方法与装置仍可实现高精度温度测量。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于单腔双光梳的温度测量方法与装置，包括温度控制模块、单腔双光梳发生模块、光功率放大模块、2*1光纤耦合器、光学带通滤波器、待测气体介质、光电探测器、电学低通滤波器、信号采集与处理模块。温度控制模块可以保证单腔双光梳发生模块工作在恒温环境。单腔双光梳发生模块激光发出重频略有差异的探测光梳和本振光梳。其中，探测光梳经过第一光功率放大模块进行脉冲功率放大和光谱展宽，本振光梳经过第二光功率放大模块进行脉冲功率放大和光谱展宽。接着探测光梳和本振光梳通过一个2*1光纤耦合器合束，再由光学带通滤波器滤波后，经过待测气体介质，并由光电探测器探测得到探测光梳对本振光梳异步采样的干涉信号；然后，由信号采集与处理模块采集并处理干涉信号获得测量吸收光谱信息；最后，利用多光谱拟合算法拟合测量吸收光谱信息，进而提取出待测气体介质温度的测量值。

2、单腔双光梳发生模块产生的探测光梳和本振光梳的重频分别表示为fr1和fr2。探测光梳和本振光梳的重频差为df＝fr1-fr2；探测光梳和本振光梳的光功率和光谱宽度可以由第一光功率放大模块和第二光功率放大模块进行放大和展宽，从而保证探测光梳和本振光梳在待测气体吸收光谱区域有足够的光功率。探测光梳的光场ep1和本振光梳的光场eq2可以表示为若干个光学纵模的光场叠加：

3、

4、其中，fp1和fq2分别表示探测光梳的第p1根纵模频率和本振光梳的第q2根纵模频率，满足关系fp1＝fc+p1fr1+fo1，fq2＝fc+q2fr2+fo2；ap1和aq2分别表示纵模fp1和fq2的振幅，和分别表示纵模fp1和fq2的初始相位，fc表示载波频率，fo1和fo2分别表示纵模fp1和fq2的载波包络相位偏移频率。探测光梳对本振光梳进行异步光学采用后获得的干涉信号实际为探测光梳与本振光梳光场间的相干叠加：

5、

6、探测光梳和本振光梳需要同时经过一个光谱带宽δλ满足式(3)的光纤带通滤波器和一个带宽bw<fr1/2的电学低通滤波器，其中所述的光学带通滤波器的光谱范围需要依据待测气体介质的吸收光谱范围来选择。

7、

8、其中，λ和c分别表示光学带通滤波器的中心波长和光速。由于本发明中使用的光电探测器采用交流耦合的方式提取经过光学带通滤波器和电学低通滤波器的干涉信号，因此光电探测器探测到的电压信号v实际表示为式(2)中的交流部分：

9、

10、在光学带通滤波器和电学低通滤波器的作用下，探测光梳和本振光梳相邻梳齿拍频到射频域，满足关系p＝p1＝q2。于是，式(4)可以重写为式(5)。

11、

12、式(5)中，δfo＝fo1-fo2，最后，在待测气体介质的作用下，探测光梳和本振光梳的光强被衰减，使得电压信号满足式(6)的关系。

13、

14、对式(6)进行快速傅里叶变换，即可提取出透射光谱信息，即i＝|a|2e-α(f)。测量得到的吸收谱可以表示为αm(f)＝-ln(i)，即：

15、αm(f)＝α(f)+β(f)  (7)

16、其中，β(f)和α(f)分别表示基线和实际吸收光谱。为了获得气体参数，需要将测量的吸收光谱与hitran数据库仿真的吸收光谱进行拟合，因此在拟合时需要对基线信息进行估计，以便拟合出准确的吸收光谱。为了消除可能包括在估计基线中的吸收信息，采用了差分和时域分离策略。具体细节如下：仿真吸收光谱可通过hitran数据库计算，表示为αh(f)。同时，通过对αh(f)上的参考点进行三次样条插值，可以获得表示为αhr(f)的仿真参考曲线。这里，参考点被定义为两个吸收峰之间的最小值。同样的，通过对αm(f)上的参考点进行三次样条插值，可以获得测量吸收光谱上的测量参考曲线，表示为αmr(f)。αmr(f)同时包含吸收信息αr(f)和基线信息βr(f)，表示为：

17、αmr(f)＝αr(f)+βr(f)  (8)因此，仿真参考曲线与测量参考曲线之间的差异可以写成：

18、β′(f)＝αmr(f)-αhr(f)＝αr(f)-αhr(f)+βr(f)    (9)

19、式(9)中，β′(f)表示估计的基线。只有当仿真吸收谱αh(f)与测量吸收谱α(f)一致时，此时估计的基线β′(f)才能代表真实的基线。因此，通过式(9)中描述的差分运算可以消除估计基线中包含的部分吸收信息。接着，利用时域分离策略，在时域中分离基线信号和吸收信号，从而进一步减少基线估计误差的影响。根据式(8)和式(9)，时域中测量的吸收信号am(t)和估计的基线信号b(t)推导为：

20、

21、

22、通过对仿真吸收光谱αh(f)进行逆傅里叶变换，也可以获得时域的仿真吸收信号ah(t)。

23、

24、最后，利用nelder-mead非线性优化算法求解式(13)中的非线性优化问题可以获得气体的参数信息。

25、

26、式(13)中，t、x、v0、dv分别表示温度、浓度、拟合光谱的初始频率和拟合光谱的分辨率。在时域上选择一个合适的时间窗口[ts，te]从而提高拟合精度。

27、本发明的有益效果：本发明采用单腔双光梳激光器作为探测光源，结构简单，可以实现双光梳吸收光谱技术应用的小型化。本振光梳和探测光梳从同一个激光器中发出，具有非常高的相对稳定性和互相干性，从而实现气体吸收光谱相干测量。本发明采用多重锁模技术，提高了脉冲的光功率稳定性，从而可以抑制探测光源的振幅噪声，提高温度测量精度。本发明采用的多光谱拟合算法利用了差分和时域分离的策略，有效抑制了基线估计误差对多光谱拟合的影响，提高了气体参数求解精度以及算法鲁棒性。本发明可以测量气体的宽光谱信息、获取气体组分信息以及温度信息，具有同时测量多参数的能力。