(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221094787 7.6 (22)申请日 2022.08.09 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 徐立军　张宏宇　曹章　庞应飞　 李微卿　 (51)Int.Cl. G01N 21/33(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种基于无锁相双光梳吸收光谱的气体参 数测量方法 (57)摘要 本发明提出一种基于无锁相双光梳吸收光 谱的气体参数测量方法， 属于激光吸收光谱技术 领域。 无锁相的双光梳经光纤耦合器分束， 一路 为测量光路， 经光学带通滤波器和待测气体后由 光电探测器接收； 一路为参考光路， 经光学带通 滤波器后耦合到光电探测器； 无锁相的双光梳在 光电探测器上产生的干涉信号经低通滤波器滤 波后被数据采集卡采集； 通过对测量和参考光路 的干涉信号做 傅里叶变换提取频谱， 通过频谱互 相关提取频谱抖动并通过频谱搬移予以补偿频 谱抖动， 通过多次平均抑制噪声后获得原始吸收 光谱， 最后基于修正的多光谱拟合方法解算待测 气体参数。 本发 明简化了气体参数测量中所需的 光频梳的系统复杂度， 可实现宽光谱测量， 具有 广阔的应用前 景。 权利要求书2页 说明书7页 附图1页 CN 115165781 A 2022.10.11 CN 115165781 A 1.一种基于无锁相双光梳吸收光谱的气体参数测量方法， 其特征在于使用无锁相的双 光梳作为气体参数测量的光源， 且测量方法包 含以下步骤： 步骤一、 搭建光路并采集干涉信号： 光频梳101和102的重复频率分别为fr1、 fr2(fr1＞fr2)， 重频差frep＝fr1‑fr2， 光频梳101 和102的载波包络相移频率fceo1、 fceo2不锁定， 两个光频梳通过2 ×2光纤耦合器耦合后分成 光束A和光束B， 光束A 穿过参考光路， 光束B穿过测量光路； 参考光路中， 光束A 通过光学带通 滤波器14 1直接耦合到光电探测器151， 光电探测器151输出的电信号经低通滤波器161滤波 后得到不包含吸收光谱信息的干涉信号Sref， Sref重复频率frep； 测量光路中， 光束B经过准直 器121准直， 穿过待测气体131后， 通过光学带通滤波器142后耦合到光电探测器152， 光电探 测器152输出的电信号经低通滤波器162滤波后得到包含吸收光谱信息的干涉信号Smeas， Smeas重复频率frep； 双光梳光源通过多外差干涉的方式将难以探测的光频信号映射到射频， 为保证干涉信号的频率分量与光频分量一一对应， 光学带通滤波器141和光学带通滤波器 142的带宽不能超过 低通滤波器161和低通滤波器162的带宽不能超 过 且光学带通滤 波器141和光学带通滤波器142具有相同的中心波长λ和带宽Δλ， 低通滤波器161和低通滤 波器162具有相同的截止频率； 利用数据采集卡171同步采集干涉信号Sref、 Smeas， 信号采样 率为fr1， 采集信号上传到计算机181进行后处 理： 步骤二、 提取干涉信号频谱抖动并予以补偿： 将干涉信号Smeas、 Sref按照重复频率frep和采样率fr1分成N组Smeas(i)和Sref(i)， i＝1， 2， ...， N； 每组数据点数为 计算测量光路干涉信号频谱Imeas(i)和参考光路干涉信号频 谱Iref(i)， 提取频谱抖动并予以补偿， 得到补偿后的测量光路干涉信号频谱Imeas， ali gn(i)和 参考光路干涉信号频谱Iref， align(i)， i＝1， 2， ...， N； 步骤三、 将对齐后的干涉信号频谱做平均以抑制强度噪声， 测量光路得到平均频谱 Imeas ， a ve， 参考光路得到平均频谱Iref ， a ve， 并通过对数运算计算原始吸收光谱 选取待测气体射频域的吸收谱αmeas(f)上的某一 吸收峰， 通过待测 分子的光谱数据库查找该吸收峰对应的光谱跃迁频率， 将射频域的吸收谱映射到光谱αmeas (v)； 步骤四、 修正待测气体的吸收光谱， 消除随波长变化的参考光路和测量光路的强度差 异； 步骤五、 利用修 正的多光谱拟合 算法计算气体参数。 2.基于权利要求1所述的一种基于无锁相双光梳吸收光谱的气体参数测量方法， 其特 征在于利用频谱互相关的方法提取干涉信号频谱抖动并通过 频谱搬移补偿频谱抖动： 依据干涉信号的重复频率frep和采样率fr1对数据采集卡采样得到的干涉信号Sref进行 周期划分， 每周期的数据点数为 得到N组数据点数为 的干涉信号， 记作Sref(i)， i＝1， 2， ...， N； 同样地， 对干涉信号Smeas进行周期划分， 得到N组数据点数为 的干涉信号， 记作 Smeas(i)， i＝1， 2， ...， N， i表示干涉信号进行周期划分的序号； 分别对Sref(i)， i＝1， 2， ...， N及Smeas(i)， i＝1， 2， ...， N进行傅里叶变换， 得到其频谱权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115165781 A 2Iref(i)， i＝1， 2， ...， N以及Imeas(i)， i＝1， 2， ...， N； 通过频谱互相关法提取测量光路干涉信号频谱Imeas(i)相对于Imeas(1)的频谱抖动f (i)， i＝1， 2， ...， N， 分别计 算Imeas(i)和Imeas(1)的互相关函数， 互相关函数取得极大值时对 应的自变量即为频谱抖动f(i)， i ＝1， 2， ...， N； 将Imeas(i)搬移f(i)得到Imeas， align(i)； 同样地， 将Iref(i)搬移f(i)得到Iref， align(i)。 3.基于权利要求1所述的一种基于无锁相双光梳吸收光谱的气体参数测量方法， 其特 征在于修 正原始吸收光谱并通过修 正的多光谱拟合方法计算气体参数： 在实际光学配置 中， 参考光路、 测量光路的光强必然存在差异， 且两条路径之间的光强 比会随波长变化而变化， 因此使用补偿系 数来补偿吸收光谱计算过程由于参考光路、 测量 光路随波长变化的光强差异引入的计算误差； 真实吸收光谱α(v)与测量得到的吸收光谱 αmeas(v)的关系可以表示 为： α(v)＝αmeas(v)+k0+k(v)，       (1) 其中， k0表示补偿系数的常数部分， k(v)是补偿系数随波长变化的部分； 鉴于补偿系数随波长变化缓慢， 可以采用差分策略来抑制补偿系数变化， 在固定的频 率点vref处， 可以得到如下近似表达式： α(v)‑α(vref)＝αmeas(v)+k(v) ‑αmeas(vref)‑k(vref)≈αmeas(v)‑αmeas(vref)，    (2) 在整个光谱范围内选取一系列参考频率点构成集合{vref}， 以扩展(3)的适用范围， 选 定的频率点集合{vref}位于吸收光谱缓慢变化的部 分， 远离待测气体 分子的强跃迁， 在参考 频率点选择过程中， 利用光谱数据库仿真待测气体 吸收光谱； 提取仿真的吸收光谱局部极 小值对应的频率 点， 以及仿真的吸 收光谱的起始频率 点和结束频率 点作为参考频率点； 频率点集合{vref}对应的θmeas(vref)被插值得到αmeas， ref(v)， (3)可以改写为 α(v)‑αref(v)≈αmeas(v)‑αmeas， ref(v)，    (3) 其中， αref(v)由选定的参考频率集合{vref}对应的真实吸收率α(vref)在测量光谱范围 内插值得到； 修正后的吸 收光谱变为 αmeas， fit(v)＝αmeas(v)‑αmeas， ref(v)，    (4) 光谱数据库对应的修 正的吸收光谱αdatabase， fit(v)也按照上述差分的方法计算得 出 αdatabase， fit(v)＝αdatabase(v)‑αdatabase， ref(v)，    (5) 其中， αdatabase(v)是数据库中计算出的待测气体分子吸收光谱， αdatabase， ref(v)是αdatabase (vref)在测量光谱范围内的插值； 在多光谱拟合中， 选择待测气体温度、 浓度和压力作为以下最优化问题的拟合 参数， 即 min h(T， X， P)＝mi n||αfit， ref(v)‑αdatabse， ref(v， T， X， P)| |1，      (6) 其中， 运算符||·||1表示向量的1范 数； 通过求解(7)的最小化问题， 可以获得待测气体的温度、 浓度和压力参数。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115165781 A 3