光纤收发一体式空气差分吸收光谱测量系统

摘要

一种光纤收发一体式空气差分吸收光谱测量系统。解决现有典型DOAS系统光谱利用效率低，且仪器调整和光路对中困难的问题。本发明测量系统包括点光源、望远镜和光谱仪，还包括由发射光纤和接收光纤构成的具有收发光纤公共端的收发一体式结构光纤束。点光源发出的光谱由发射光纤的一端经收发光纤公共端射出，经望远镜内的球面反射镜准直，到达角锥棱镜后被沿原方向反射，再次经球面反射镜聚焦进入收发光纤公共端，最后经接收光纤另一端出射后导入光谱仪进行光谱检测。该系统与典型DOAS系统相比，减少了两块平面反射镜，避免了光束在传输过程中平面镜的遮挡，提高了光谱利用效率，同时简化了仪器调整和对中过程。

说明书

【技术领域】：

本发明涉及一种差分吸收光谱空气质量监测系统，尤其是测量空气中痕量气体的监测系统。

【背景技术】：

大气污染破坏生态系统并对人体健康造成极大危害，因此，首先要对各种大气污染物进行监测。我国许多城市的监测仪器采用点式采样，只能了解监测点采样空间的大气污染情况以及采样时段内的平均状况，时空代表性较差。利用差分吸收光谱学(DOAS)的遥测技术以其大范围、多组份检测、连续实时在线的测量方式正成为环境污染监测的理想工具。采用DOAS技术可以在同一光谱吸收波段同时监测几种污染物，可实现完全非接触在线自动监测；仪器的灵敏度高，监测浓度低；监测范围可达数百米甚至数千米，可反映一个区域的平均污染程度，监测结果比单点监测更具有代表性。DOAS技术是当前空气质量污染指标常规在线监测技术的发展方向。

目前广泛采用的DOAS系统一般基于Cassegrain望远镜结构。在这种结构中，由氙灯发出的光谱经反射镜准直成平行光出射，经过几百米甚至数千米的光程，由位于另一端的角锥棱镜反射后由接收端将光汇聚耦合进入光纤，由光谱仪探测得到吸收光谱，如图1所示。在图1中，经点光源(氙灯)1发出的连续光谱经与光轴成45°角的平面反射镜2反射后照射在球面反射镜3上，再经球面反射镜3反射后照射在远方的角锥棱镜4上。角锥棱镜4将照射在它上面的光线沿原路反射后依次经球面镜3和平面反射镜5最后汇聚在接收点位置，由光纤接收后送入光谱仪进行分析。

这种基于Cassegrain望远镜结构的DOAS系统，由于光线多次经反射镜遮挡，造成光谱利用效率低，且仪器调整和光路对中困难。

【发明内容】：

本发明的目的是解决现有DOAS系统光谱利用效率低，且仪器调整和光路对中困难的问题，提供一种光纤收发一体式空气差分吸收光谱测量系统。

本发明提供的光纤收发一体式空气差分吸收光谱测量系统，包括点光源、望远镜和光谱仪，该系统还包括由发射光纤和接收光纤构成的具有收发光纤公共端的收发一体式结构光纤束，所述的点光源发出的光谱首先耦合到收发一体式结构光纤束中的发射光纤的一端后，经发射光纤的另一端即收发光纤公共端射出，经望远镜内的球面反射镜准直，通过一段开放的大气，到达望远镜光程另一端的角锥棱镜，然后被沿原方向反射，携带大气中污染气体信息的反射光沿原方向返回，再次经望远镜内的球面反射镜聚焦进入收发光纤公共端，最后经接收光纤另一端出射后导入光谱仪进行光谱检测。

所述的收发一体式结构光纤束中的收发光纤公共端位于望远镜的光轴上，设球面反射镜的半径为R，则收发光纤公共端距离球面反射镜的距离为1/2R。

收发一体式结构光纤束中的收发光纤公共端可以安装在三维移动平台上并可进行三维调整。

本发明的优点和积极效果：本发明提供的收发一体式空气差分吸收光谱测量系统中，光谱收发采用具有公共端口的一体式光纤束，望远镜中只有一块反射球面镜，与现有典型基于Cassegrain望远镜结构的DOAS系统相比，减少了两块平面反射镜，避免了光束在传输过程中平面镜的遮挡，提高了光谱利用效率。同时，该系统在调整和对中过程中，只需对收发一体式的光纤束公共端进行三维调整，从而简化了仪器调整和对中过程，调整过程可采用三维电动微调整结构，可以提高自动化程度。

【附图说明】：

图1是现有典型的基于Cassegrain望远镜结构的DOAS系统结构示意；

图2是本发明提供的光纤收发一体式空气差分吸收光谱测量系统示意图；

图3收发一体式光纤束结构示意图。

【具体实施方式】：

图2所示为本发明提供的光纤收发一体式空气差分吸收光谱测量系统，该系统包括可发出宽光谱结构的点光源(氙灯)6、望远镜和光谱仪(图中未画出)。其中望远镜包括：球面反射镜9，及望远镜光程另一端的角锥棱镜10。此外该系统还包括收发一体式光纤束结构(如图3所示)，该光纤束结构由发射光纤12和接收光纤13构成，其中一端固定在一起成为收发光纤公共端8，该公共端位于望远镜光轴上，假设球面反射镜9的半径为R，则收发光纤公共端距离球面反射镜的距离为1/2R，且该收发光纤公共端可以安装在现有的三维电动移动平台上并可进行三维调整。

检测时，由氙灯6发出的光谱经耦合后首先进入发射光纤12的入射端口7，由发射光纤的另一端，即收发光纤公共端8射出，经望远镜内的球面反射镜9准直，通过一段开放的大气，到达望远镜光程另一端的角锥棱镜10，然后被沿原方向反射，携带大气中污染气体信息的反射光沿原方向返回，再次经望远镜内的球面反射镜9聚焦进入收发光纤公共端8，最后经接收光纤13的另一端口11出射后导入光谱仪进行光谱检测。光谱仪根据气体的特征吸收光谱可反演得到空气中痕量气体的浓度。