一种多组分气体适配的激光光源一体化光声信号采集系统的制作方法

本申请涉及光声光谱检测，具体是一种多组分气体适配的激光光源一体化光声信号采集系统。

背景技术：

1、光声光谱技术基于气体分子对特定波长激光的选择性吸收效应，使气体分子发生能级跃迁并释放热能，进而产生周期性的声压信号，通过对该声压信号的精准检测与分析，可实现微量气体的定量分析。该技术具有检测灵敏度高、选择性优良、无需样品预处理、响应速度快等显著优势，已广泛应用于大气环境监测、工业排放检测、变压器油中溶解气体分析等多个技术领域。随着环境监测指标日益严格和工业过程控制要求不断提高，多组分气体同时检测的需求日益迫切。

2、激光光源作为光声光谱检测系统的核心部件，其性能与集成度直接决定了检测系统的适配性、精度与体积。目前激光光源装置在多组分气体检测场景下主要存在以下技术缺陷：

3、其一，适配性单一。现有激光光源一体化装置多针对单一气体类型设计对应的激光光源模块，当检测任务涉及多种组分气体时，需手动更换整个激光光源模块或重新配置激光器参数，操作繁琐、检测效率低，且不同批次光源模块之间的光学一致性难以保证，增加了检测成本与系统误差。

4、其二，交叉干扰防控能力不足。多组分气体检测过程中，不同组分对应的激光波长在光声池内可能产生吸收光谱重叠，导致光声信号相互叠加干扰，使检测结果产生偏差。现有装置缺乏系统性的交叉干扰分析与主动抑制机制，难以在高浓度多组分混合气体场景下保证检测精度。

5、其三，系统集成度偏低。传统方案中激光器、光耦合器、准直器等部件采用分体式布局，部件之间通过光纤活动连接器进行级联，不仅体积庞大、光路对准困难，且在振动环境下易产生光耦合效率波动，影响检测稳定性。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种多组分气体适配的激光光源一体化光声信号采集系统，以解决现有技术中激光光源装置适配性单一、交叉干扰防控能力不足、系统集成度偏低的技术问题。

2、为实现上述目的，本申请提供了一种多组分气体适配的激光光源一体化光声信号采集系统，该系统设置有控制单元以及数据存储单元与通信接口，包括激光选型与交叉干扰抑制模块、激光光源一体化集成结构、谐振式光声池组件和高灵敏度光声信号采集模块；

3、所述激光选型与交叉干扰抑制模块基于hitran数据库对至少两种目标气体的吸收光谱进行交叉干扰分析，筛选出分别与各目标气体一一对应的若干组dfb激光器，采用波长时分复用技术按预设频率切换各dfb激光器的工作状态；

4、所述激光光源一体化集成结构将若干组dfb激光器、光耦合器和准直器集成于同一壳体内，准直器的输出光轴与谐振式光声池组件的入射窗口同轴对准；

5、所述谐振式光声池组件的声信号输出口与高灵敏度光声信号采集模块的微音传感器密封对接，以传输光声转换后的声信号；

6、所述高灵敏度光声信号采集模块接收声信号，经锁相放大预处理后，通过同步采集与分离算法对多组分光声响应信号进行时域分离与区分，完成多组分气体适配的激光光源一体化光声信号采集。

7、作为优选，所述激光选型与交叉干扰抑制模块对至少覆盖1μm至10μm波长范围内的目标气体吸收光谱进行系统性交叉干扰分析，分析分辨率优于或等于0.001μm，筛选出若干组窄线宽dfb激光器。

8、作为优选，所述激光选型与交叉干扰抑制模块采用的波长时分复用技术的切换频率为100hz，交叉干扰抑制比≥40db。

9、作为优选，所述激光选型与交叉干扰抑制模块通过电吸收二极管控制激光器腔内损耗实现激光开关，且激光器注入电流保持恒定。

10、作为优选，所述同一壳体为具备散热结构的同一铝合金一体成型壳体。

11、作为优选，所述同步采集与分离算法，具体为：以预设的采样频率对锁相放大输出的模拟信号进行同步模数转换，然后依据各组分的时隙分配方案，将采集到的时域复合信号按照各时隙的起始时刻和持续时间进行分割，在每个时隙内提取对应组分的光声信号幅值。

12、作为优选，所述同步采集与分离算法在每个时隙内采集多个信号周期，对同一时隙内多个周期的幅值进行平均处理以抑制随机噪声，最终输出各组分对应的幅值序列。

13、作为优选，所述系统性交叉干扰分析的约束条件为各目标气体在对应工作波长处的吸收系数最大化和各目标气体在非对应工作波长处的吸收系数最小化。

14、作为优选，所述激光选型与交叉干扰抑制模块采用波长时分复用技术时，每个时隙内仅有选用的波长的激光进入光声池。

15、作为优选，所述控制单元设置有手动模式和自动模式，手动模式用于调试与参数校准，自动模式按照预设的时序自动完成激光器循环切换、光声信号采集、算法分离与浓度反演和数据存储与上传的全流程；其中，数据存储与上传至预设的数据存储单元。

16、有益效果：本申请的多组分气体适配的激光光源一体化光声信号采集系统，通过基于hitran数据库的系统性激光选型与交叉干扰抑制、激光光源一体化集成结构以及高灵敏度信号采集与多组分信号分离的协同作用，实现了多组分气体的精准、高效检测，同时兼顾小型化与高稳定性，满足多样化工程应用需求，解决了现有技术中激光光源装置适配性单一、交叉干扰防控能力不足、系统集成度偏低的技术缺陷。

1.一种多组分气体适配的激光光源一体化光声信号采集系统，该系统设置有控制单元以及数据存储单元与通信接口，其特征在于，包括激光选型与交叉干扰抑制模块、激光光源一体化集成结构、谐振式光声池组件和高灵敏度光声信号采集模块；

2.根据权利要求1所述的多组分气体适配的激光光源一体化光声信号采集系统，其特征在于，所述激光选型与交叉干扰抑制模块对至少覆盖1μm至10μm波长范围内的目标气体吸收光谱进行系统性交叉干扰分析，分析分辨率优于或等于0.001μm，筛选出若干组窄线宽dfb激光器。

3.根据权利要求2所述的多组分气体适配的激光光源一体化光声信号采集系统，其特征在于，所述激光选型与交叉干扰抑制模块采用的波长时分复用技术的切换频率为100hz，交叉干扰抑制比≥40db。

4.根据权利要求3所述的多组分气体适配的激光光源一体化光声信号采集系统，其特征在于，所述激光选型与交叉干扰抑制模块通过电吸收二极管控制激光器腔内损耗实现激光开关，且激光器注入电流保持恒定。

5.根据权利要求1所述的多组分气体适配的激光光源一体化光声信号采集系统，其特征在于，所述同一壳体为具备散热结构的同一铝合金一体成型壳体。

6.根据权利要求1所述的多组分气体适配的激光光源一体化光声信号采集系统，其特征在于，所述同步采集与分离算法，具体为：以预设的采样频率对锁相放大输出的模拟信号进行同步模数转换，然后依据各组分的时隙分配方案，将采集到的时域复合信号按照各时隙的起始时刻和持续时间进行分割，在每个时隙内提取对应组分的光声信号幅值。

7.根据权利要求6所述的多组分气体适配的激光光源一体化光声信号采集系统，其特征在于，所述同步采集与分离算法在每个时隙内采集多个信号周期，对同一时隙内多个周期的幅值进行平均处理以抑制随机噪声，最终输出各组分对应的幅值序列。

8.根据权利要求2所述的多组分气体适配的激光光源一体化光声信号采集系统，其特征在于，所述系统性交叉干扰分析的约束条件为各目标气体在对应工作波长处的吸收系数最大化和各目标气体在非对应工作波长处的吸收系数最小化。

9.根据权利要求3所述的多组分气体适配的激光光源一体化光声信号采集系统，其特征在于，所述激光选型与交叉干扰抑制模块采用波长时分复用技术时，每个时隙内仅有选用的波长的激光进入光声池。

10.根据权利要求1所述的多组分气体适配的激光光源一体化光声信号采集系统，其特征在于，所述控制单元设置有手动模式和自动模式，手动模式用于调试与参数校准，自动模式按照预设的时序自动完成激光器循环切换、光声信号采集、算法分离与浓度反演和数据存储与上传的全流程；其中，数据存储与上传至预设的数据存储单元。