外文文献翻译

1、外文文献翻译近红外区光谱吸收型光纤气体传感技术tiegen liu1,2*，kun liu1,2，junfeng jiang1,2，gangding peng3*，yan wang1,4，dagong jia1,2，hongxia zhang1,2，wencai jing3，yimo zhang1,21天津大学精密仪器与光电子工程学院，中国天津市，3000722光电信息技术科学教育部重点实验室（天津大学），中国天津市，3000723新南威尔士大学电信电工学院，澳大利亚悉尼市，nsw 20524天津大学生物医学检测技术与仪器重点实验室，中国天津市，300072摘要 污染气体检测广泛用于采矿和室友

2、化学工业，在环境和污染监测中有它的重要性。近红外区光纤光谱吸收（fosa）因其明显的优势被广泛应用，引起了巨大的关注。fosa有多种类型和方法，波长调制技术（wmt）是其中一种，能显著提高气体检测灵敏度。这种技术在检测二次谐波强度时被认知。内腔激光光谱学（icls）是另一种用于高灵敏度吸收测量的可选技术。通过直接在空腔激光器内放置一个吸收器，小的吸收单元能转变成一个高精度系统。但实际灵敏度远低于理论值。笔者在这方面做了一些工作，取得了显著进展。用宽反光片代替fbg用作内腔镜，运用波长搜索技术（wst），能收集到集中被测气体的吸收光谱。通过求每种光谱结果的平均值，能显著提高测量灵敏度，乙炔灵敏度

3、能高于100ppm。icls、wst和wmt等技术结合使用，乙炔检测灵敏度能提高更多，高于75ppm。用fbg作为波长参考，来获取被测气体的吸收波长，能用于气体识别。这种系统可进入光纤智能检测网络。关键词：光纤光谱吸收，气体检测，波长调制技术，波长搜索技术，内腔激光器光谱，灵敏度，气体识别1.简介污染气体检测广泛用于采矿和室友化学工业，在环境和污染监测中有它的重要性。由于具有远程检测能力、在危险环境的安全性和抗电磁干扰等明显的优势，特别由于电信产业提供廉价的光纤组件，近红外区光纤光谱吸收（fosa）被广泛用于气体检测。fosa有多种方法，引起了广泛关注。傅里叶变换方法是成熟的技术，被首推和大范

4、围是用有很长一段时间。inaba等人提出用于空气污染和特定物浓度监测的吸收差异方法。uehara等人论证了调制技术用于甲烷的远程实时检测。jin等人用梳状滤波器来测量甲烷浓度和二次谐波输出关系。baldwin等人开发一个了声光可调滤波器，和一个应用于等离子体原子发射光谱的光纤干涉仪。斯图尔特等人描述气体检测系统的新进展，通过铒光纤激光器使用响铃来吸收光谱。张等人展示了一中新的腔内光纤激光系统用于多点气体检测。主要目的是气体检测灵敏度的改善，和降低用于每种气体的单个传感器的成本。在这些fosa方法中，使用最广泛的二种方法是差异吸收法和调制技术，有效吸收长度为50厘米的甲烷检测中，其灵敏度分别为4

5、00ppm和10ppm。腔内激光光谱是一种气体检测的新方法，在2003年第一次被提出，检测有效吸收长度为1厘米的灵敏度有2253ppm。本文分别介绍了波长调制技术(wmt)和腔内光纤技术。然后介绍了天津大学在气体检测方面的进展，建立和优化了一个新型腔内光纤激光系统，基于柱体透镜设计了气室。波长搜索技术（wst）引入到气体检测系统中，使浓度检测更加灵敏。结合wmt和wst，系统灵敏度可进一步提高。2. 波长调制技术 结合了wmt技术的分布式反馈激光二极管（dfb ld）用于气体检测首先由uehara提出。系统原理如图1所示。dfb ld作为单模激光器，其驱动电流被调制成高频f。激光中心频率用参比

6、室被锁定在被测气体的吸收峰。气室的吸收量用在发射光功率下工作二次谐波（2f）元件检测。激光束中二次谐波强度的变化时固有的，这会信号的抵销，需事先由调制波形去除。两种检测方案，传送方案如图1所示，反射方案基于wmt开发。被测气体浓度正比于二次谐波信号强度。这技术用于检测甲烷浓度。气室长度50cm，被测浓度灵敏度是10ppm，这只有甲烷爆炸浓度下限的0.02%。图1 wmt气体探测系统的示意图 wmt的优点有灵敏度高、反应快和抗电磁干扰，还能克服由于的激光束的扰动造成的系统干扰。但是作为系统源的db ld成本很高，也被特别设计用于被测气体的特定吸收线，这使得系统成本急剧升高。同时，dfb ld的波

7、长可调范围不大，导致效率低。3. 活动内腔技术 基于 icls的光纤激光气体检测系统如图2所示。系统由一个包含了掺铒光纤放大器的活动光纤圈（edfa），一个f-p型可调滤光器(tof)和n光纤光栅(fbgs)组成。光纤光栅作为n腔的波长选择镜。如图所示，每个腔内都放置了一个吸收气室。吸收室由一对低折射率透镜制成。grin透镜两端间的开放间隙允许光和气发生相互作用。由于可调f-p过滤器在除了传送波长外的波长有很高强度的反射，所以在循环内放置了一个隔离器确保激光单向性，抑制不必要的空穴振荡。fbgs的bragg波长不发生重叠，全部列入edfa增益带宽范围内。fbgs的滤波，fbgs的bragg波长

8、可调整与被测气体吸收谱一致。调整内循环过滤器的的传送波长，和edfa的增益带宽交叉，可以按序寻址每个腔及每个气室。图2 icls光纤激光气体检测网络结构2003年，张等人首次提出基于新型多路复用光纤icls的气体检测系统，首先调查研究了使用速率方程的icls的灵敏度。2004年，金等人以此方式检测出乙炔的浓度，张等人申请将wmt技术应用于icls。2007年，ryu等人以icls为依据测量了乙炔分子的扩散系数。2008年，liu等人把wst技术引入icls。用这种途径，传感器多重使用的次数被edfa增益带宽内的被测气体吸收谱所限制，激光输出峰值下降至约为传统单通吸收损失的18.4倍。理论分析显

9、示，当edfa的抽运功率减小至接近阈值，就可实现搞灵敏度，增强因数能达到近16。气室长度为1cm，乙炔的最低可测浓度为2253ppm。用wmt技术，实验中实现了1000ppm的乙炔最低可测浓度。测得乙炔分子的四条过渡谱的扩大系数介于10.41mhz/torr和12.58mhz/torr之间。运用wst技术，乙炔检测的系统灵敏度可达低于200ppm。这个技术可用于混合气体检测，可大幅降低特定气体检测的成本。这个系统有灵活的结构，高灵敏度和使用廉价的光纤元件等优点。然而实验灵敏度与理论期望相差甚远。有以下三个原因：1.气体的有效吸收长度短；2.用fbg作为腔内循环镜，激光器中心波长被锁定在被测气体

10、吸收谱中心。但激光中心波长不能固定，因为fbg的反射波长不稳定。因此激光功率的波动不可忽视，于是系统的灵敏度将大幅降低；3.系统工作接近阈值，所以灵敏度也被各种噪声限制，尤其放大自发射（ase）噪声。4. 波长扫描技术的应用4.1 系统结构天津大学近年来一直研究这个问题，已取得一些进展。基于icls的系统经改善后实验构造如图3所示。图3 基于icls的系统经改善后的实验构造系统包含一个edfa，一个f-p型tof，一个气室，一个光探测器和一个隔离器。edfa由一个980波长范围的泵浦激光器通过一个980/1550的wdm耦合器驱动。tof的带宽和自由光谱区分别为1.23ghz和11.23thz

11、。气室同一个反射器由一个光开关选择的环行器连结到到主腔。50:50耦合器后光探测器可以监测输出信号。光探测器用计算机控制的labview卡上的模数转换器（adc）抽样，从数模转换器（dac）生成tof的驱动信号。隔离器用于确保单向运行，防止空间烧洞效应。反射器作为空腔循环的镜子，能消除fbg镜波长移动引起的功率波动。通过光开关系统能实现多组分气体检测。fbg阵列作为波长参考，来识别气体。排列一对廉价的尾纤柱体透镜，形成气室。作用长度、直径和插入损耗分别为10cm、15mm、1.84db。系统气室产品如图4所示。工作距离越长，柱体透镜插入损耗越低，气室性能越好。图4 系统气室产品照片4.2 ws

12、t增加灵敏度基于icls的气体探测系统使用掺饵光纤(edf)作为增益介质，可视为一个二能级系统，可由速率方程来建模，用这个模型可理论模拟抽运功率和系统衰减的影响。计算用参数和参考涉及的一样。由系统衰减变化引起的吸收量设定在0.1db。当系统衰减为=10db时，抽运功率的灵敏度增强因子如图5（a）所示。当抽运功率为pp0=10mw时，系统衰减的灵敏度增强因子如图5（b）所示。考虑ase噪声功率得到连续谱，否则得到断续谱。由图5可知，抽运功率和系统衰减对系统性能有相同的影响。因为抽运功率不能调整好，也不可测量，系统状态需靠调节系统衰减来控制。本文中，系统衰减而非抽运功率，用来调节系统状态。图5 （

13、a）抽运功率的灵敏度增强因子（b）系统衰减的灵敏度增强因子若使用波长扫描而不是调整tof的通频带至一个特定的吸收线，能获得符合不同吸收截面的多吸收线。用一次扫描每种气体的光谱就能计算得到其浓度。同一扫描结果的平均值作为实际浓度，由此发现局限性大幅减少。同时，tof的蔓延也可以克服。以乙炔为例，当tof的驱动电压被扫从19.6v线性升至21.2v，相应的tof的通频带围绕1530nm扫描，可明显看见3条吸收线。扫描一遍这些吸收线需90秒。探测器的输出信号及其二阶导数如图6（a）所示。吸收光谱（实线）的位置与二阶导数曲线（点线）峰值一致，这可用来自动识别吸收线。气体浓度与lorentzian拟合光

14、谱的振幅成比例，如图6（b）所示。（a）乙炔吸收光谱 （b）光谱的lorentzian拟合图6 乙炔吸收光谱分析此系统用于乙炔检测，能量衰减光谱与气体浓度成比例。实验场如图7所示。气体分离器用来组成不同浓度的混合气。图7 实验场 气室充满1%浓度的乙炔，泵电流设定在80ma，吸收信号与系统衰减间的关系如图8所示。吸收信号最大值为7.47db，相应的增强37.4倍于单通吸收的损失只有0.2db。图8 吸收信号与系统衰减间的关系表1 用wst的乙炔浓度反演计算结果（ppm）实际浓度3000500070009000测得浓度光谱13319491571448996光谱23130517369058837光

15、谱32803483470448877平均浓度3084497470318903绝对误差83263197相对误差2.80%0.52%0.44%1.08%用吸收信号和乙炔的浓度可对系统进行校正。根据校正系数，浓度为3000ppm、5000ppm、7000ppm、9000ppm可分别进行反演计算。结果如表1所示。光谱1，光谱2，光谱3分别相对于图6（a）中从左到右的光谱。4.3wst和wmt结合当滤波器的波长用频率为f的正弦信号调制，同时，用锯齿状扫描信号缓慢扫描覆盖有几个气体吸收线的区域和fbg阵列的反射光谱，波长调制可以被转换成强度调制。扫描滤波器的传输波长，每个点的所有谐波分量都能计算出，包括调

16、制频率的基分量f和二次谐波分量2f。当气体吸收线中心波长与气体吸收线峰值一致时，对应的调制信号的二次谐波分量达到最大值，因而可用于检测气体浓度。由正弦信号调制的锯齿扫描信号由labview卡上的dac产生，强度信号由光探测器检测，由labview卡上的adc采样。二次谐波分量在计算机中用傅里叶级数或离散傅立叶变换计算。与使用信号发生器和锁相放大器作参考相比较，基于虚拟仪器的波长调制识别和二次谐波分量计算更简单灵活。tof的锯齿驱动信号飞行时间从20v线性扫描至21.6v，系统测量乙炔的检测器输出的二次谐波信号如图9所示。图中可明显看到7个吸收线，第六线光谱的振幅最大。图中可明显看到7个吸收线，

17、第六线光谱的振幅最大。图9 乙炔二次谐波谱调制强度是系统的关键参数。当调制强度从4mv变化至25mv，第六线的信噪比（snr）如图10所示。实线是理论曲线，标记的事实验结果。二次谐波分量峰值的snr通过计算振幅均值和方差的比值得出。信噪比越大，气体传感的灵敏度越高。由图可知经优化的调制强度为13mv。据arndt和reid的研究，优化调制强度为半高全宽（fwhm）吸收线的1.1倍。根据hitran的数据，乙炔的fwhm吸收线约为74pm。所以经优化的调制强度应为81.4pm。81.25pm的波长位移相当于13mv的驱动电压，故理论值和实际值一致。图10 snr与调制强度关系曲线二次谐波光谱中的

18、每个气体吸收线都能用于校正，实现气体浓度检测。图9中的5条吸收线都能用于乙炔浓度检测。结果如表2所示。光谱编号在图9中相应的分别从左到右排列。从中可知气体浓度反演计算结果与实际浓度相比，绝对误差小于75ppm，相对误差小于1.6%。表2 用wst和wmt的乙炔浓度反演计算结果（ppm）实际浓度2000400060008000检测浓度光谱31822423960538050光谱41973377960577574光谱52145397361108313光谱61728423657767907光谱72174379558597780平均浓度1968400459717925相对误差3242975绝对误差1.5

19、8%0.11%0.48%0.94%4.4气体识别 乙炔浓度为1&时，其二次谐波光谱和fbg如图11所示，乙炔吸收线的位置可用fbgs计算得到。fbgs的bragg波长分别为1550.103nm、1552.857nm、1554.455nm、1558.017nm。通过二次多项式拟合，可得到波长与驱动电压间的关系。通过与驱动电压相应的二次谐波光谱峰值，可计算得到乙炔吸收线的位置。以此方式，计算得到第6条吸收线的位置在1530.697nm处，根据hitran的资料，实际值为1530.371nm，两者误差为0.326nm。在近红外区，不通气体吸收线的波长间距不少于几个纳米。所以这种方法可用于气体识别。另

20、一方面，需要说明的是，经过扫描20nm范围后，波长精确度能高于98.35%。图11 乙炔的二次谐波光谱和fbgs5. 结论本文首先介绍了wmt和icls的原理及其应用。甲烷和乙炔浓度的检测分别用了这些技术灵敏度分别为10ppm和2253ppm。由于气室长度和吸收截面的不同会有所差异。当icls和wst联合运用时，乙炔测量灵敏度可高于100ppm。当icls、wst和wmt联合运用时，乙炔测量灵敏度可高于75ppm。只有乙炔爆炸下限的0.3%。参考文献1 stewart g., optical fiber sensor, kluwer academic publishers, dordrecht

21、, chapter 5 (1999).2 stewart g., antherton k.,yu h. b. and culshaw b., an investigation of an optical fibre amplifier loop forintra-cavity and ring-down cavity loss measurements, meas. sci. technol. 12, 843-849 (2001).3 zhang y., zhang m., jin w., ho h. l., demokan m. s., fang x. h., culshaw b. and

22、stewart g., investigation oferbium-doped fiber laser intra-cavity absorption sensor for gas detection, opt. commun. 234, 435-441 (2004).4 jin w., ho h. l. and gao y. j., development of multi-point gas detection systems, acta photonica sinica,29(z1), 23-28 (2000).5 zhang m., wang d. n., jin w. and li

23、ao y. b., wavelength modulation technique for intra-cavity absorption gassensor, ieee t. instrum. meas. 53(1), 136-139 (2004).6 xu l. h., feng y. q. and chen j. q., study on simultaneous analysis of indoor air multi-component vocs withftir, spectroscopy and spectral analysis (in chinese) 26(12), 219

24、7-2199 (2006).7 inaba h., kobayasi t., hirama m. and hamza m., optical-fibre network system for air-pollution monitoring over awide area by optical absorption method, electron. lett. 15(23), 749-751 (1979).8 uehara k. and tai h., remote detection of methane using a diode laser, appl. optics 31(6), 8

25、09-814 (1992).9 jin w., stewart g. and culshaw b., absorption measurement of methane gas with a broadband light source and interferometric signal processing, opt. lett. 18(16), 1364-1366 (1993).10 david p. b., daniel s. z. and arthur p. d., high-resolution spectroscopy using an acousto-optic tunable

26、 filterand a fiber-optic fabry-perot interferometer, appl. spectrosc. 50(4), 498-503 (1996).11 stewart g., shields p. and culshaw b., development of fibre laser systems for ring-down and intracavity gasspectroscopy in the near-ir, meas. sci. technol. 15, 1621-1628 (2004).12 zhang y., zhang m. and ji

27、n w, multi-point, fibre-optic gas detection with intra-cavity spectroscopy, opt.commun. 220, 361-364 (2003).13 chan k., ito h. and inaba h., remote sensing system for near-infrared differential absorption of ch4 gas usinglow-loss optical fiber link, appl. optics 23(19), 3415-3420 (1984).14 chen d.,

28、liu w. q., kan r. f., wang m., zhang y. j. and liu j. g., gas sensing by near-infrared tunable diodelaser spectroscopy method, optical technique (in chinese) 32(4), 598-600, 603 (2006).15 wang y. t., liu j., zhang j. c. and yang h. m., a methane gas sensor with optic fiber based on frequencyharmonic

29、 detection technique, measurement & control technology (in chinese) 22(1), 19-21, 27 (2003).16 wang s. t., liu j., che r. s. and wang y. t., a methane gas sensor with optic fiber based on frequency harmonicdetection technique, j. applied optics (in chinese) 25(1), 44-47 (2004).17 wang s. t. and che

30、r. s., research on optical fiber methane gas sensor with spectrum absorption and signalprocessing method, opto-electronic engineering (in chinese) 33(1), 112-115 (2006).18 culshaw b., stewart g., dong f., tandy c. and moodie d., fibre optic technique for remote spectroscopicmethane detection-from co

31、ncept to system realization, sensor. actuat. b-chem. 51, 25-37 (1998).19 ho h. l., jin w. and demonkan m. s., sensitive, multipoint gas detection using tdm and wavelength modulationspectroscopy, electron. lett. 36, 1191-1193 (2000).20 zhang y., zhang m. and jin w., sensitivity enhancement in erbium-doped fiber laser intra-cavity absorptionsensor, sensor. actuat. a