АРХИТЕКТУРА TDLAS ДЛЯ ДАЛЕКО ОТСТОЯЩИХ ДРУГ ОТ ДРУГА ДЛИН ВОЛН Российский патент 2019 года по МПК G01J3/42 G01N21/39 G02B6/04 

[0001] Некоторая часть раскрытия этого патентного документа содержит материал, который является предметом защиты авторского права. Обладатель авторского права не имеет возражений относительно факсимильного воспроизводства кем-либо патентного документа или патентного раскрытия, если оно появляется в файле или записи Патентного ведомства, но в другом случае полностью резервирует все авторские права.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Абсорбционная спектроскопия с перестраиваемым диодным лазером (TDLAS) - это хорошо освоенная методика для регистрации и измерения концентраций различных химических веществ в газовой смеси. Спектроскопия TDLAS основана на уникальном спектре поглощения химических веществ, для которых измеряется ослабление пучка диодного лазера на вполне определенной длине волны, настроенной на линию поглощения измеряемых химических веществ, когда он проходит через область измерения. На длинах волн, даже незначительно отличающихся от этих линий поглощения, поглощение практически отсутствует.

[0003] В целом, при работе длина волны пучка диодного лазера обычно сканируется по малому диапазону, который охватывает по меньшей мере одну линию поглощения исследуемых веществ, равно как и область, в которой поглощение отсутствует. Световые интенсивности для света, передаваемого через образец, измеряются фотодетектором. Сигналы фотодетектора затем анализируются для получения средней концентрации целевых химических веществ по длине траектории пучка при известной температуре.

[0004] Поскольку молекулы каждого целевого химического вещества поглощают свет на определенной частоте, то обычно для измерения другого вещества требуется и другой диодный лазер. Для определенных применений системы TDLAS должны использовать спектр, охватывающий широкий диапазон длин волн, приблизительно от 760 нм для обнаружения кислорода (O₂) и до 2,33 микрон для регистрации монооксида углерода (CO). Существуют системы TDLAS с мультиплексированными длинами волн, которые используют длины волны от 760 нм до 1559 нм, причем длина волны 1559 нм используется для обнаружения CO. Однако некоторые приложения требуют более низкого предела обнаружения для CO, чем то, которого можно достичь на 1559 нм. Например, в приложениях с каменноугольным нагревательным котлом измеряемая длина траектории может составлять более 10 метров, а в зоне сгорания концентрация CO может превысить 5000 млн^-1 (). В этих условиях, регистрация CO с использованием полосы второй гармоники в области 1550 нанометров оказывается вполне адекватной. Поскольку эта область длин волн широко используется при телекоммуникационной передаче данных, то одномодовое оптическое волокно с большим коэффициентом передачи оказывается легко доступным, так же как и обычные оптоволоконные компоненты, такие как переключатели, лазеры и разделители.

[0005] Однако, некоторые применения требуют возможности обнаружения CO при значительно более низких концентрациях и при намного более короткой траектории. Например, обнаружение CO в диапазоне 100 млн^-1 по 1-метровой траектории предполагает измерение примерно в 500 раз меньшего воздействия на интенсивность света передаваемого пучка, что делает обнаружение существенно более затруднительным, чем в приложении для каменноугольного нагревательного котла. Это требует измерения CO на первой гармонике примерно на длине волны 2,33 микрона, когда CO имеет такую интенсивность линии перехода, которая приблизительно в 500 раз выше, чем интенсивность для 1559 нм.

[0006] Недавно, были разработаны системы TDLAS, которые работают на длинах волн от 1350 нм до 2 микрон. Расширение диапазона до 2 микрон позволяет осуществить чувствительное обнаружение CO₂ для определения баланса углерода в применениях для сталелитейного производства. Во многих применениях в сталелитейном производстве O₂ измерять не обязательно, а длина волны 760 нм не требуется. Несмотря на это расширение диапазона длин волн, одно и то же одномодовое оптическое волокно может быть использовано для передачи света на одной моде во всем этом диапазоне длин волн (1350 нм - 2000 нм). Однако, дополнительное расширение приблизительно до 2,33 микрон для чувствительной регистрации CO и необходимость измерения O₂ на 760 нм требует полностью отличающейся архитектуры вследствие невозможности одномодовым оптическим волокном одного типа обеспечить прохождение длин волн приблизительно от 760 нм до 2,33 микрон на одной моде с высоким коэффициентом передачи и малыми потерями на изгибах.

[0007] Поскольку свет с длинами волн приблизительно 760 нм - 2,33 микрона не может совместно распространяться по одному и тому же одномодовому оптическому волокну, должна быть разработана новая схема мультиплексирования длин волн для применений, требующих как обнаружения O₂, так чувствительности обнаружения CO. Одно из таких применений - это контроль работы стеклоплавильной печи. Три длины волны требуются для измерения O₂, воды (H₂O), и CO для этого применения, причем регистрация CO необходима на уровне 100 млн^-1 или ниже. Также, для этого применения требуется возможность измерения в целом приблизительно 10 траекторий одновременно или почти одновременно.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0008] В соответствии с различными наборами вариантов осуществления обеспечены система, устройство, и способ для TDLAS с далеко отстоящими друг от друга длинами волн.

[0009] В аспекте система абсорбционной спектроскопии с перестраиваемыми диодными лазерами с далеко отстоящими друг от друга длинами волн включает в себя по меньшей мере первый и второй перестраиваемые диодные лазеры. Первый перестраиваемый диодный лазер может генерировать лазерный свет на первой длине волны, а второй перестраиваемый диодный лазер может генерировать лазерный свет на второй длине волны. Используется лазерный свет первой и второй длин волн, который не может совместно распространяться на одной поперечной моде с одновременно высокой эффективностью по одномодовому оптическому волокну.

[0010] Система включает в себя первое оптическое волокно, имеющее ближний конец и дальний конец, причем первое оптическое волокно оптически связано с первым перестраиваемым диодным лазером на ближнем конце, первое оптическое волокно является одномодовым оптическим волокном, выполненным с возможностью проводить свет на первой длине волны. Второе оптическое волокно обеспечено как имеющее ближний конец и дальний конец, второе оптическое волокно оптически связано со вторым перестраиваемым диодным лазером на ближнем конце, второе оптическое волокно является одномодовым оптическим волокном, выполненным с возможностью проводить свет на второй длине волны. Обеспечен волоконный жгут, имеющий дальние концы по меньшей мере первого и второго оптических волокон, причем дальние концы первого и второго оптических волокон зачищены от их соответствующих покрытий, и причем первая световедущая сердцевина первого оптического волокна и вторая световедущая сердцевина второго оптического волокна размещены с их оболочками смежно друг другу с формированием жгутовой конфигурации.

[0011] Система дополнительно включает в себя одну или более подающих головок, содержащих передающую оптику, оптически связанную с первым и вторым перестраиваемыми диодными лазерами через дальние концы первого и второго оптических волокон оптоволоконного жгута. Подающая головка выполнена с возможностью проецировать соответствующие пучки лазерного света от первой световедущей сердцевины и второй световедущей сердцевины, причем подающая головка ориентирована для проецирования соответствующих пучков от каждой из первой и второй световедущих сердцевин через зону измерения. Обеспечены один или более датчиков, причем каждый датчик содержит, соответственно, по меньшей мере, один фотодетектор, причем каждый из упомянутого по меньшей мере одного фотодетектора выполнен с возможностью регистрации оптической мощности света на первой и второй длинах волн. Кроме того, одна или более захватывающих головок расположены поперек зоны измерения на выбранном расстоянии от одной или более подающих головок, причем упомянутая одна или более захватывающих головок оптически связана с соответствующей подающей головкой из упомянутой одной или более подающих головок для приема соответствующих пучков первой и второй световедущих сердцевин и направления соответствующих пучков на по меньшей мере один из упомянутого одного или более датчиков.

[0012] В другом объекте, подающая головка может быть использована для абсорбционной спектроскопии с перестраиваемым диодным лазером с далеко отстоящими друг от друга длинами волн. Подающая головка включает в себя корпус, выполненный с возможностью оптической связи с волоконным жгутом, имеющим дальние концы по меньшей мере первого и второго входных оптических волокон, причем первое входное оптическое волокно представляет собой одномодовое оптическое волокно, которое проводит лазерный свет на первой длине волны, а второе входное оптическое волокно представляет собой одномодовое оптическое волокно, которое проводит лазерный свет на второй длине волны, причем лазерный свет первой и второй длин волн не может совместно распространяться по одномодовому оптическому волокну. Дальние концы по меньшей мере первого и второго входных оптических волокон зачищены от их соответствующих покрытий, и причем первая световедущая сердцевина первого входного оптического волокна и вторая световедущая сердцевина второго входного оптического волокна размещены с их оболочками смежно друг другу с формированием жгутовой конфигурации.

[0013] Подающая головка может дополнительно включать в себя подающую оптику, выполненную с возможностью проецирования соответствующих пучков лазерного света от каждого из упомянутой по меньшей мере первой и второй световедущих сердцевин через зону измерения. Корпус ориентирован так, что соответствующие пучки достигают захватывающей головки, расположенной поперек зоны измерения на выбранном расстоянии от корпуса.

[0014] В еще одном аспекте обеспечен способ лазерной спектроскопии с перестраиваемыми диодными лазерами с далеко отстоящими друг от друга длинами волн. Способ включает в себя генерацию первого лазерного пучка с первой длиной волны, генерацию второго лазерного пучка со второй длиной волны, проведение первого лазерного пучка по первому одномодовому оптическому волокну и второго лазерного пучка по второму одномодовому оптическому волокну, причем лазерный свет первой и второй длин волн не может совместно распространяться по одномодовому оптическому волокну, зачистку дальних концов первого и второго одномодового оптического волокна от их соответствующих покрытий, размещение первой световедущей сердцевины первого одномодового оптического волокна с его оболочкой смежной с оболочкой второй световедущей сердцевины второго одномодового оптического волокна с формированием жгутовой конфигурации, и формирование оптоволоконного жгута из жгутовой конфигурации первой и второй световедущих сердцевин. Способ дополнительно включает в себя передачу с помощью подающей головки соответствующих пучков лазерного света от каждого из первой и второй световедущих сердцевин оптоволоконного жгута через зону измерения, прием каждого соответствующего пучка в захватывающей головке, расположенной поперек зоны измерения на выбранном расстоянии от подающей головки, и регистрацию в захватывающей головке оптической мощности света на каждой из первой и второй длин волн, и определение концентрации целевых веществ, имеющих линию поглощения на первой и на второй длинах волн.

[0015] Различные модификации и дополнения могут быть сделаны к обсуждаемым вариантам осуществления, не отступая от объема притязаний изобретения. Например, хотя описанные выше варианты осуществления относятся к конкретным признакам, объем притязаний данного изобретения также включает в себя варианты осуществления, имеющие другую комбинацию признаков и вариантов осуществления, которые не включают в себя все вышеописанные признаки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0016] Дополнительное понимание характера и преимуществ конкретных вариантов осуществления появится при рассмотрении некоторых остающихся частей спецификации и чертежей, на которых подобные цифровые символы используются для обозначения подобных же компонентов. В некоторых случаях с цифровыми обозначениями связываются индексы для обозначения одного из множественных подобных компонентов. Когда делается ссылка на цифровое обозначение без указания на имеющийся индекс, то предполагается обращение ко всем таким множественным подобным компонентам.

[0017] Фиг.1 изображает конструкцию волоконного жгута для подающих головок в системе TDLAS с далеко отстоящими друг от друга длинами волн;

[0018] Фиг.2 иллюстрирует двухдиапазонный фотодетектор для использования в системе TDLAS с далеко отстоящими друг от друга длинами волн;

[0019] Фиг.3 иллюстрирует системную блок-схему для системы TDLAS с далеко отстоящими друг от друга длинами волн;

[0020] Фиг.4 иллюстрирует блок-схему последовательности операций для способа использования TDLAS с далеко отстоящими друг от друга длинами волн;

[0021] Фиг.5 представляет собой расхождение пучка от конструкции волоконного жгута в системе TDLAS с далеко отстоящими друг от друга длинами волн;

[0022] Фиг.6 представляет собой блок-схему последовательности операций системы управления, используемой в системе TDLAS с далеко отстоящими друг от друга длинами волн; и

[0023] Фиг.7 иллюстрирует дихроичный объединитель пучка для подающей или захватывающей головок в системе TDLAS с далеко отстоящими друг от друга длинами волн;

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0024] Хотя различные объекты и признаки определенных вариантов осуществления были просуммированы выше, нижеследующее подробное описание иллюстрирует несколько вариантов осуществления в больших деталях для предоставления возможности специалисту в данной области техники осуществить такие варианты осуществления. Описанные примеры предоставляются в иллюстративных целях и не предназначены для ограничения объема притязаний изобретения.

[0025] В нижеследующем описании в целях пояснения сформулированы многочисленные конкретные детали для обеспечения полного понимания описанных вариантов осуществления. Однако специалисту в данной области техники будет очевидно, что другие варианты осуществления настоящего изобретения могут быть осуществлены без некоторых из этих конкретных деталей. Здесь описаны несколько вариантов осуществления, и хотя различные признаки приписаны различным вариантам осуществления, следует отметить, что описанные относительно одного варианта осуществления признаки могут быть также включены и в другие варианты осуществления. Вместе с тем, никакой отдельный признак или признаки какого-либо описанного варианта осуществления не следует рассматривать как существенные для каждого варианта осуществления изобретения, поскольку другие варианты осуществления изобретения могут исключать такие признаки.

[0026] Если специально не указано иное, все используемые здесь числа для отображения количества, размеров, и т.д., должны быть поняты как модифицируемые во всех случаях термином "приблизительно". В данной заявке, использование единственного числа включает в себя и множественное число, если специально не указано другое, и использование выражений "и" и "или" означает "и/или", если не указано другое. Кроме того, использование выражения "включение в себя", так же как другие формы, такие как "включает в себя" и "включенный", следует рассматривать как неисключительные. Кроме того, такие выражения как "элемент" или "компонент" охватывают и элементы и компоненты, содержащие один блок и элементы и компоненты, которые содержат больше чем один блок, если определенно не указано иначе. Как известно в данной области техники, одно и то же устройство обычно может использоваться или для мультиплексирования, или для демультиплексирования в зависимости от направления света, который проходит через него. Следовательно, термин "мультиплексор", или "mux" как используется здесь, следует понимать как включающий в себя и функции демультиплексирования, и функции мультиплексирования.

Обычные методики мультиплексирования с разделением длин волн (WDM) не могут использоваться для мультиплексирования сигналов, имеющих длины волн, которые охватывают диапазон 760 нм - 2330 нм в одномодовом оптическом волокне, поскольку было бы чрезвычайно трудно создать или найти подходящее выходное оптическое волокно, чтобы проводить множественные сигналы, охватывающие целый диапазон длин волн.

АРХИТЕКТУРА TDLAS С ВОЛОКОННЫМ ЖГУТОМ

[0027] На Фиг.1 показана конструкция 100 волоконного жгута, пригодная для передачи пучков с длинами волн, охватывающими диапазон 760 нм - 2330 нм в одномодовом режиме от одной передающей (подающей) головки и на соответствующую одну приемную (захватывающую) головку. Конструкция 100 волоконного жгута включает в себя оптоволоконный жгут 105, содержащий сердцевины 135a, 135b, 135c (все вместе 135) трех одномодовых оптических волокон 110, 115, 120. Каждое из одномодовых оптических волокон 110, 115, 120 имеет дальний и ближний конец. Одномодовые оптические волокна 110, 115, 120 оптически связаны в их ближних концах с соответствующим перестраиваемым диодным лазером. Каждый соответствующий перестраиваемый диодный лазер может быть настроен для генерации лазерного света на выбранной длине волны. Эти длины волн могут быть выбраны для соответствия линиям поглощения одного или более целевых химических веществ.

[0028] Каждая длина волны лазерного пучка проводится соответствующим одномодовым оптическим волокном 110, 115, 120, предназначенным для данной длины волны. Например, в соответствии с одним набором вариантов осуществления одномодовое оптическое волокно 110 проводит свет с длиной волны 2330 нм, одномодовое оптическое волокно 115 проводит свет 1350 нм, а одномодовое оптическое волокно 120 проводит свет 760 нм. В дополнительных вариантах осуществления оптическое волокно SM1950 может быть использовано для одномодового оптического волокна 110 для проведения света с длиной волны 2330 нм, оптическое волокно SMF28e может быть использовано для одномодового оптического волокна 115 для проведения света с длиной волны 1350 нм, а оптическое волокно SM750 может быть использовано для одномодового оптического волокна 120 для проведения света с длиной волны 760 нм. В вариантах осуществления, использующих оптическое волокно SM1950, свет с длиной волны 2330 нм испытывает потери 1дБ/м. Однако, этот уровень потерь может быть приемлемым на коротких длинах.

[0029] Три одномодовых оптических волокна 110, 115, 120 объединены в соединительной муфте 165, формируя жгут 105 оптических волокон. В соответствии с одним набором вариантов осуществления дальние концы каждого из одномодовых оптических волокон 110, 115, 120 зачищены от их покрытия 125. В различных вариантах осуществления удаленное покрытие 125 может включать в себя, без ограничения, некоторое или все из защитной рубашки или буферного материала оптического волокна, но не предполагает включение оболочки, непосредственно смежной с сердцевиной. Зачищенные оптические волокна 110, 115, 120 затем размещаются в треугольной конфигурации 130 и связываются между собой для формирования оптоволоконного жгута 105 с их соответствующими примыкающими оболочками. В некоторых вариантах осуществления соединительная муфта 165 может обеспечить защитную структуру вокруг точки, в которой три зачищенных оптических волокна 110, 115, 120 смыкаются для формирования оптоволоконного жгута 105. Соединительная муфта 165 может дополнительно стабилизировать или поддерживать оптические волокна 110, 115, 120 на месте относительно оптоволоконного жгута 105. В некоторых вариантах осуществления сердцевины 135 связываются в жгут в треугольной конфигурации 130, в которой сердцевины 135 разнесены между собой на 125 микрон - толщина оболочки 140 между двумя смежными оптическими волокнами 110, 115, 120. В альтернативном наборе вариантов осуществления многосердцевинное оптическое волокно может быть заменой для связанных в жгут оптических волокон. В различных вариантах осуществления волоконный жгут 105 может дополнительно содержать рубашку, буфер или другое покрытие, применяемое к жгутовой конфигурации световедущих сердцевин 135 для дополнительной физической защиты обнаженных сердцевин, для поддержания треугольной конфигурации сердцевин и для улучшения характеристик сигнала. Двухлинзовый ахромат (не показан) или другой подходящий оптический коллиматор может быть использован для коллимации света от оптоволоконного жгута 105. Однако, вследствие бокового смещения света в фокальной плоскости пучки отклоняются после выхода из коллиматора примерно на 2 миллирадиана (125 микрон/50 мм f.l.). Таким образом, каждая из различных длин волн лазерных пучков достигает стороны захвата в другом местоположении в зависимости от длины траектории. Это показано и описано более подробно ниже в связи с Фиг.6.

[0030] Таким образом, конструкция 100 волоконного жгута может требовать, чтобы система поддерживала взаимное выставление между оптикой подающей и захватывающей сторон. Пример такой системы выставления описан в Патенте США No.7,248,755 (Патент '755), названном "Способ и Устройство для Контроля и Управления Сгоранием", который полностью включен в настоящий документ по ссылке. Система автоматического выставления, описанная в Патенте '755, преодолевает такие проблемы разориентации посредством автоматической и динамической регулировки перекоса и наклона или со стороны подающей оптической головки, или со стороны захватывающей оптической головки, или с обеих сторон подающей и захватывающей оптических головок для поддержания выставления и для гарантии того, что на каждой частоте принимается адекватный сигнал. Система автоматического выставления описана более подробно ниже в связи с Фиг.6.

[0031] В некоторых вариантах осуществления лазерный пучок каждой из длин волн может требовать перевыставления подающей и/или захватывающей оптики системой автоматического выставления. В таких вариантах осуществления мультиплексирование с разделением по времени (TDM) может быть соответствующим. Принимая TDM вместо системы на основе WDM, можно избежать необходимости выполнения демультиплексирования длин волн в захватывающей головке. Обычный демультиплексор длин волн требует использования дополнительного оптического волокна в захватывающей головке. Однако, на длине волны 2330 нм, дополнительное оптическое волокно может значительно уменьшить принимаемый сигнал.

[0032] Каждый из входных соединителей 155a, 155b, 155c (все вместе 155) связан с соответствующим источником света (не показан). Например, в различных вариантах осуществления входной соединитель 155a может связывать одномодовое оптическое волокно 110 с источником света с длиной волны 2330 нм, входной соединитель 155b может связывать одномодовое оптическое волокно 115 с источником света с длиной волны 1350 нм, а входной соединитель 155c может связывать одномодовое оптическое волокно 120 с источником света с длиной волны 760 нм. Волоконный жгут 105 затем связывается выходным соединителем 160 с подающей головкой или передающей оптикой.

[0033] При работе каждый из источников света может быть включен и выключен попеременно следуя схеме TDM так, чтобы только один источник света функционировал в данный момент времени. Например, в различных вариантах осуществления первый источник света, генерирующий свет с длиной волны приблизительно 2330 нм может быть включен. Сигнал на длине волны 2330 нм проводится одномодовым оптическим волокном 110, и как частью оптоволоконного жгута 105 - соответствующей сердцевиной 135, соответствующей оптическому волокну 110, на передающую оптику. Первый источник света затем выключается, и включается второй источник света, генерирующий свет с длиной волны 1350 нм. Сигнал на длине волны 1350 нм затем проводится одномодовым оптическим волокном 115, и как частью оптоволоконного жгута 105 - соответствующей сердцевиной 135, соответствующей оптическому волокну 115, на передающую оптику. Второй источник света затем выключается, и включается третий источник света, генерирующий свет с длиной волны 760 нм. Сигнал на длине волны 760 нм затем проводится одномодовым оптическим волокном 120, и как частью оптоволоконного жгута 105 - соответствующей сердцевиной 135, соответствующей оптическому волокну 120, на передающую оптику. Альтернативно, 1×2 оптический переключатель может быть использован для переключения света от каждого из лазерных источников в соответствующую ветвь жгута одномодового оптического волокна или на фиктивный оптический путь так, чтобы свет только с единственной длиной волны присутствовал в дальнем конце оптоволоконного жгута в данный момент времени. Переключаемый вариант осуществления позволяет более устойчиво работать диодным лазерам.

[0034] Использование оптического волокна для захвата и передачи света назад к расположенной в центре стойке для регистрации и количественного определения становится проблематичным при использовании большой длины волны около 2330 нм для регистрации CO, поскольку свет этой длины волны испытывает большое поглощение в оптических волокнах из кварца (~1 дБ/м.). Например, такие конфигурации может иметь система, развернутая на очистительном заводе, где захватывающие головки могут быть установлены на различных печах, которые, во многих случаях, могут быть отделены расстоянием 1 километр или более. Это требует слишком много оптического волокна для возможности регистрации передаваемого света с длиной волны 2330 нм, с потерями на передачу порядка ~1×10^-100 на 1 километр оптического волокна. Другая проблема с использованием длинного многомодового захватывающего оптического волокна - это то, что модовый шум, создаваемый эффектами интерференции в оптоволокне, создает шум пропускания, который препятствует регистрации обнаружению и количественной оценке пиков поглощения.

[0035] На Фиг.2 показан схематический вид сечения двухдиапазонного детектора 200, который может быть использован в захватывающей головке или в непосредственной близости от захватывающей головки в комбинации со стратегией мультиплексирования с разделением по времени для регистрации каждого из первого принятого сигнала 220, второго принятого сигнала 225 и третьего принятого сигнала 230 на каждой длине волны, соответственно связанной с принятыми сигналами 220, 225, 230, без необходимости в использовании демультиплексора длин волн. Таким образом, двухдиапазонный детектор 200 устраняет возможное поглощение света с длиной волны 2330 нм, проводимого на больших длинах оптического волокна, позволяя выполнить регистрацию, преобразование в цифровую форму и/или обработку сигналов в захватывающей головке. Получающиеся данные могут быть переданы назад к центральной стойке для заключительной обработки и количественной оценки через протокол Ethernet или по кабелю, или по оптическому волокну.

[0036] Двухдиапазонный детектор 200 содержит слоевую конструкцию 305 детектора с первым слоем 210 фотодетектора и вторым слоем 215 фотодетектора. Каждый из первого и второго слоев 210, 215 фотодетектора выполнены так, чтобы каждая из соответствующих длин волны каждого принимаемого сигнала 220, 225, 230 могла быть зарегистрирована. Например, в некоторых вариантах осуществления первый слой 210 фотодетектора может быть кремниевым (Si) слоем PIN фотодетектора, а второй слой 215 фотодетектора может быть расширенным фотодетектором из арсенида галлия индия (ex-InGaAs) для регистрации первого принимаемого сигнала 220, имеющего длину волны 760 нм, второго принимаемого сигнала 225, имеющего длину волны 1350 нм, и третьего принимаемого сигнала 230, имеющего длину волны 2330 нм. Свет с длиной волны 760 нм от первого принимаемого сигнала хорошо регистрируется Si PIN фотодетектором 210, однако длины волн в близком инфракрасном диапазоне (~1-3 микрона), включая длины волн второго и третьего принимаемых сигналов 225, 230, проходят через Si PIN фотодетектор 210 незарегистрированными. Таким образом, более длинные волны падают на второй слой фотодетектора, на ex-InGaAs фотодетектор 215, который является чувствительным к длинам волн приблизительно от 1,3 микрон до 2,5 микрон. Однако ex-InGaAs фотодетектор 215 не может различить второй принимаемый сигнал 225 и третий принимаемый сигнал 230 без обращения к более сложным методикам, таким как мультиплексирование с частотным разделением (FDM), то есть модуляции второго и третьего принимаемого сигнала на двух различных частотах и дискриминации на основании частоты регистрируемого света. Таким образом, без FDM двухдиапазонный детектор 200 не может быть использован для одновременной регистрации сигналов. Используя TDM, как предложено выше для использования с конструкцией 100 волоконного жгута, только один из трех принимаемых сигналов 220, 225, 230 будет включен в любой момент времени, устраняя необходимость в физическом разделении пучков с длинами волн 1350 нм и 2330 нм второго 225 и третьего 230 принимаемых сигналов. Таким образом, использование TDM и двухдиапазонного детектора может устранить необходимость в демультиплексировании на стороне приема.

[0037] На Фиг.3 показана блок-схема системы 300 TDLAS с далеко отстоящими друг от друга длинами волн в соответствии с различными вариантами осуществления. Система 300 TDLAS с далеко отстоящими друг от друга длинами волн содержит первый лазерный источник 305, второй лазерный источник 310 и третий лазерный источник 315 для генерации лазерного света с определенной длиной волны. Например, лазерные источники 305, 310, 315 могут быть рядом перестраиваемых диодных лазеров. Каждый из первого, второго, и третьего лазерных источников 305, 310, 315 выполнен с возможностью генерации лазерного пучка определенной длины волны, которая соответствует линии поглощения в спектре поглощения для каждого представляющего интерес химического вещества в зоне измерения. Например, в некоторых вариантах осуществления первый лазерный источник 305 генерирует лазерный пучок с длиной волны 760 нм, соответствующей регистрации молекул кислорода (O₂), второй лазерный источник 310 генерирует лазерный пучок с длиной волны 1350 нм, соответствующей регистрации молекул воды (H₂O), а третий лазерный источник 315 генерирует лазерный пучок с длиной волны 2330 нм, соответствующей регистрации молекул угарного газа (CO). В этом примере, только три лазерных источника предоставлены в качестве иллюстрации, и следует понимать, что в других вариантах осуществления может быть использовано любое число лазерных источников для генерации лазерных пучков при любом другом числе выбранных длин волн линий поглощения. В некоторых вариантах осуществления, каждый из лазерных источников 305, 310, 315 размещен центрально и управляется в стойке или стеллаже, которые могут быть расположены отдаленно от места измерения.

[0038] Сигналы от каждого из лазерных источников 305, 310, 315 оптически связаны с множеством 320a-320n подающих головок. В некоторых вариантах осуществления сигналы от каждого из лазерных источников 305, 310, 315 переключаются между каждой из упомянутого множества 320a-320n подающих головок для выполнения измерений вдоль каждой из множества траекторий А-А через N-N. Для гарантии одномодового поведения оптический переключатель может быть предоставлен для каждой длины волны света и для каждой подающей головки 320a-320n, чтобы позволить передать одну длину волны последовательным образом от каждой подающей головки.

[0039] Альтернативно, некоторые варианты осуществления требуют чтобы сигналы от каждого из лазерных источников 305, 310, 315 были расщеплены вдоль каждой из упомянутого множества траекторий так, чтобы предоставить соответствующие лазерные пучки на каждую из упомянутого множества подающих головок 320a-320n параллельно (одновременно). Система 300 TDLAS с далеко отстоящими друг от друга длинами волн часто используются в зонах измерения, которые практически свободны от мелких частиц, например в стеклянных печах и в других печах на природном газе и непосредственно в печи имеется незначительное поглощение лазерной мощности. Таким образом, свет от лазерных источников 305, 310, 315 может быть расщеплен для параллельного обслуживания упомянутого множества траекторий, вместо переключения света последовательно между каждой подающей головкой 320a-320n, что требуется для применений с большим рассеянием, например, в угольных и сталеплавильных электрических дуговых печах, где поглощение лазерной мощности достаточно велико и вся мощность должна быть доступной для измерения на каждой траектории. В комбинации со стратегией временного мультиплексирования, описанной выше, все траектории А-А через N-N могут быть измерены одновременно для химических веществ, а переключение может происходить между измеренными химическими веществами (то есть длина волны), а не между упомянутым множеством траекторий.

[0040] Конструкции 325a-325n волоконного жгута обеспечены для подачи каждого из лазерных пучков от каждого из лазерных источников 305, 310, 315 на соответствующую подающую головку 320a-320n. В одном наборе вариантов осуществления сигналы от каждого из лазерных источников 305, 310, 315 проводятся по соответствующему одномодовому оптическому волокну, соответствующему длине волны каждого сигнала, как описано относительно Фиг 1 и 2 выше. Конструкции 325a-325n волоконного жгута затем передают каждый из лазерных пучков для производства мультиплексированного сигнала с дискретным разделением по времени, имеющего только один спектральный пучок в данный момент времени. Одномодовый режим поддерживается по всему диапазону длин волн и выполняется для единственного набора подающей оптики в подающих головках 320a-320n.

[0041] Подающие головки 320a-320n могут включать в себя коллиматор или другую подающую оптику для проецирования мультиплексированных пучков с дискретным разделением по времени поперек зоны 330 измерения. Каждая соответствующая захватывающая головка 335a-335n отнесена поперек зоны 330 измерения от соответствующей подающей головки 335a-335n. Каждая из подающих головок 320a-320n выставлена относительно соответствующей захватывающей головки 335a-335n так, что каждый мультиплексный пучок с дискретным разделением по времени принимается захватывающей головкой. В некоторых вариантах осуществления подающая и/или захватывающая головки выставляются с помощью системы автоматического выставления, как описано в Патенте '755, и более подробно ниже в связи с Фиг.6.

[0042] В различных вариантах осуществления захватывающие головки 335a-335n могут также необязательно содержать соответствующие конструкции 340a-340n волоконного жгута для приема каждого из мультиплексированных с разделением по времени пучков. Например, в некоторых вариантах осуществления конструкция 335a-335n волоконного жгута может быть использована так, что сердцевина, соответствующая определенной длине волны передаваемого сигнала, выставлена для приема пучка. Например, в некоторых вариантах осуществления, захватывающая головка 335a может включать в себя линзу, которая фокусирует по длинам волн пучок на соответствующее оптическое волокно оптоволоконного жгута. Система автоматического выставления может затем регулировать линзу, конструкцию 340a волоконного жгута со стороны захвата, конструкцию волоконного жгута со стороны подачи, подающую головку или комбинацию этих элементов для выставления пучка с конструкцией 340a жгута оптического волокна со стороны захвата.

[0043] Принятый пучок направляется захватывающей головкой 335a-335n на соответствующий фотодетектор 345a-345n. В некоторых вариантах осуществления соответствующее одномодовое оптическое волокно используется для проведения каждой длины волны сигнала. В других вариантах осуществления сигнал может быть принят и проведен многомодовым оптическим волокном. В различных вариантах осуществления фотодетектор 345a-345n может находиться в непосредственной близости к захватывающей головке 335a-335n так, чтобы минимизировать длины оптического волокна, используемого для проведения сигнала от захватывающей головки 335a-335n на фотодетектор 345a-345n. В некоторых дополнительных вариантах осуществления фотодетектор 345a-345n может быть обеспечен в пределах каждой захватывающей головки 335a-335n, так, что приемная оптика(-ки) в каждой захватывающей головке 335a-335n фокусирует принимаемый пучок непосредственно на соответствующий фотодетектор 345a-345n.

[0044] Каждый фотодетектор 345a-345n выполнен с возможностью регистрации и измерения интенсивности света для каждой длины волны принимаемого света. В одном варианте осуществления фотодетекторы 345a-345n - это двухдиапазонные фотодетекторы 200, как описано в связи с Фиг.2. Измерения от фотодетекторов 345a-345n затем передаются назад на систему 350 управления для дополнительной обработки и анализа. В некоторых вариантах осуществления система 350 управления может быть расположена на центральной стойке, а данные могут быть переданы назад к центральной стойке непосредственно по физической связи, например, по кабелю или по оптическому волокну, или через сеть связи, которая включает в себя, без ограничения, локальную сеть (LAN), глобальную сеть (WAN), виртуальную сеть, Интернет, внутреннюю сеть, или персональную локальную сеть. Подключение к сети связи может быть или проводным, или беспроводным. В различных вариантах осуществления система 350 управления может быть использована как часть контура обратной связи для управления средой сгорания в зоне 330 измерения. В некоторых вариантах осуществления некоторая обработка принимаемого сигнала (например, усреднение сигнала) может происходить в головках, например, полевой программируемой вентильной матрицей ("FPGA") для минимизации требований к полосе пропускания назад, к системе управления.

[0045] На Фиг.4 показана блок-схема способа для TDLAS 400 с далеко отстоящими друг от друга длинами волн в соответствии с различными вариантами осуществления. В блоке 405 лазерные пучки выбираются для выбранных длин волн линий поглощения целевых химических веществ. В некоторых вариантах осуществления лазерные пучки могут быть образованы по схеме TDM, которая переключается среди каждых из создаваемых лазерных пучков, как описано более подробно ниже в связи с блоком 420, тогда как в других вариантах осуществления, лазерные пучки могут быть созданы одновременно. В одном варианте осуществления лазерные пучки создаются на по меньшей мере первой длине волны, например, на соответствующей регистрации CO на уровнях 100 млн^-1, и на второй длине волны, например, на соответствующей регистрации O₂. В этом примере, первая и вторая длины волн также могут далеко отстоять друг от друга, так, что они не могут проводится общим одномодовым оптическим волокном.

[0046] Вместо этого в блоке 410 каждый из лазерных пучков проводится по соответствующему одномодовому оптическому волокну для каждой определенной длины волны лазерного пучка. Пучки проводятся соответствующими одномодовыми оптическими волокнами на конструкцию волоконного жгута. Например, в некоторых вариантах осуществления, подающая головка может содержать все или часть конструкции волоконного жгута. В других вариантах осуществления, конструкция волоконного жгута может быть отдельной от подающей головки.

[0047] В блоке 415 оптические волокна помещаются в конструкцию волоконного жгута. Как описано относительно Фиг.1 выше в различных вариантах осуществления дальние концы каждого из оптических волокон зачищены от их покрытий и с их оболочками и неповрежденными сердцевинами размещаются в треугольную конфигурацию. Эта треугольная конфигурация укладывается для формирования оптоволоконного жгута.

[0048] В блоке 420 конструкция волоконного жгута передает зондовый сигнал через зону измерения. Зондовый сигнал может содержать составляющие сигналы на каждой из выбранных длин волн соответственно с каждым составляющим сигналом, проводимым соответствующими одномодовыми оптическими волокнами. В различных вариантах осуществления только одна длина волны составляющего сигнала может быть передана через конструкцию волоконного жгута в данный момент времени, следуя последовательности TDM.

[0049] В блоке 425 зондовый сигнал принимается в захватывающей головке, отнесенной, поперек зоны измерения, от подающей головки. В различных вариантах осуществления захватывающая головка может использовать одну или более приемных оптик для направления зондового сигнала на многомодовое оптическое волокно, соответствующее одномодовое оптическое волокно, конструкцию волоконного жгута, фотодетектор, или как-то иначе в соответствии с конкретной конфигурацией захватывающей головки. Например, в некоторых вариантах осуществления захватывающая головка может использовать соответствующую конструкцию волоконного жгута, которая может быть использована для приема каждой длины волны составляющего сигнала с одномодовым оптическим волокном, соответствующим этой длине волны. В дополнительно вариантах осуществления захватывающая головка может также использовать систему авто-ориентации, как описано в Патенте '755, которая динамически регулирует наклон и перекос захватывающей головки для поддержания взаимной ориентации с подающей головкой на основании регистрируемых интенсивностей света принятого пучка собранных длин волн. В некоторых вариантах осуществления фотодетектор может быть предоставлен в пределах захватывающей головки, а захватывающая головка может направлять принятый пучок собранных длин волн через свободное пространство (воздух) непосредственно на внутренний фотодетектор.

[0050] В блоке 430 регистрируется каждая составляющая длина волны зондового сигнала. Для достижения этого может быть предоставлена единственная конструкция фотодетектора, которая имеет возможность регистрации каждой составляющей длины волны, например, с использованием системы TDM в комбинации с двухдиапазонным фотодетектором 200, описанным в связи с Фиг.2. Альтернативно, может быть использован отдельный фотодетектор, который чувствителен к каждой выбранной длине волны, соответственно.

[0051] В блоке 435 интенсивность света определяется для каждой соответствующей составляющей длины волны с помощью фотодетектора. Интенсивность света затем может быть дополнительно обработана другими компонентами, расположенными в захватывающей головке или отдельно в удаленном месте, для определения относительной концентрации целевого химического вещества в зоне измерения по траектории зондового сигнала.

[0052] В дополнительном блоке 440 один или более параметров сгорания регулируются на основании измеренной концентрации по меньшей мере одного химического вещества в зоне измерения. Параметры сгорания могут включать в себя, без ограничения, состав топлива, концентрацию, количество, отношение воздуха к топливу, или другой, относящийся к топливу параметр; параметры забора воздуха или клапана; общая температура печи; напряжение, подаваемое на электрод в электрической дуговой печи; или любой другой входной параметр, влияющий на свойства сгорания в пределах зоны измерения.

[0053] В одном наборе вариантов осуществления система управления может регулировать один или более параметров сгорания на основании определения концентрации различных целевых веществ. В некоторых вариантах осуществления целевые химические вещества могут быть показательными для различных характеристик процесса сгорания, например, баланс сгорания, эффективность, и эмиссии, создаваемые процессом сгорания. Например, отношение воздуха к топливу может быть отрегулировано в соответствии с измеренной концентрацией CO и O₂; топливная концентрация может быть отрегулирована в соответствии с измеренной концентрацией CO, CO₂, O₂, или комбинации CO, CO₂ и O₂; и так далее. Параметр сгорания может быть отрегулирован на основании соответствующей измеренной концентрации по меньшей мере одного химического вещества.

[0054] В дополнительных вариантах осуществления параметры сгорания могут быть отрегулированы независимо в каждой области зоны измерения на основании измерений, соответствующих связанным областям зоны измерения. Например, измеренная концентрация, полученная от измерений двух или более пар подающей и захватывающей головок, может соответствовать области зоны измерения, задаваемой соответствующей траекторией измерения каждой парой подающей и захватывающей головок. Таким образом, на основании измеренных концентраций в вышеупомянутой задаваемой области, параметры сгорания могут быть отрегулированы локально в заданной области. Например, могут быть идентифицированы одна или более горелок в обычной печи, которые более всего влияют на задаваемую область, и параметры сгорания могут быть отрегулированы для идентифицированных горелок независимо.

[0055] На Фиг.5 схематично показано расхождение пучка от различных сердцевин конструкции волоконного жгута в системе 500 TDLAS с далеко отстоящими друг от друга длинами волн. Система 500 TDLAS с далеко отстоящими друг от друга длинами волн включает в себя конструкцию 505 жгута оптического волокна на подающей стороне, установленную позади передающей коллимирующей оптики 530, приемной линзы 535 и захватывающей головки 555. Захватывающая головка может необязательно включать в себя фотодетектор 560, изображенный пунктирными линиями. Как описано выше относительно Фиг.1, каждая конструкция 505 жгута оптического волокна с подающей стороны включает в себя оптоволоконный жгут, имеющий три одномодовых оптических волокна. Каждое одномодовое оптическое волокно проводит соответствующую длину волны лазера. Каждое из одномодовых оптических волокон зачищено от его покрытия и размещено в треугольной конфигурации. Ахроматическая сдвоенная линза (не показана), или другая подходящая коллимирующая оптика 530 может быть использована для коллимации света от оптоволоконного жгута.

[0056] Вследствие бокового смещения света в фокальной плоскости каждый из пучков будет немного расходиться и будет сфокусирован линзой 535 в различном положении в фокальной плоскости оптики захватывающей головки, увеличиваясь линейно с увеличением расстояния между подающей и захватывающей головками. Это боковое смещение показано конусами 515, 520, 525 расхождения, возникающими из каждой из сердцевин, соответственно. Оптические траектории X-X, Y-Y, и Z-Z соответствуют пучкам каждого из этих трех конусов 515, 520, 525. Поэтому, когда пучки сфокусированы линзой 535, каждый пучок фокусируется в отличающуюся точку в пространстве. Например, пучок, исходящий из верхнего оптического волокна треугольной конфигурации жгута, имея конус 515 расхождения, и имея оптическую траекторию X-X, фокусируется в положении, обозначенном точкой 540. Пучок от нижнего правого оптического волокна, имея конус 520 расхождения, и имея оптическую траекторию Y-Y, фокусируется в положении, обозначенном точкой 545. Пучок от нижнего левого оптического волокна, имея конус 525 расхождения, и имея оптическую траекторию Z-Z, фокусируется в положении, обозначенном точкой 550. Таким образом, когда пучки достигают захватывающей головки 555, захватывающая головка 555, должна быть выставлена для приема сигнала в точках 540, 545, 550, соответствуя передаваемому пучку. В различных вариантах осуществления захватывающая головка может включать в себя систему автоматического выставления, описанную в Патенте '755, и как описывается более подробно ниже в связи с Фиг.6. В некоторых вариантах осуществления захватывающая головка 555 может просто включать в себя фотодетектор 560 для регистрации каждой из передаваемых длин волн, таким образом, захватывающая головка 555, подающая головка (не показана), или обе, регулируются так, что пучки принимаются датчиком. Таким образом, фотодетектор 560 должен быть установлен так, чтобы фотодетектор 560 принимал соответствующие пучки в точке 540 в течение окна времени, когда они передаются, в точке 545 в течение окна времени, когда они передаются, и в точке 550 в соответствующих окнах времени.

[0057] В альтернативном наборе вариантов осуществления пучки могут быть направлены к соответствующему оптическому волокну в захватывающей головке. Например, в некоторых вариантах осуществления, захватывающая головка может включать в себя конструкцию жгута оптического волокна со стороны захвата, где захватывающая головка 555, конструкция волоконного жгута со стороны захвата, подающая головка (не изображена), конструкция волоконного жгута 505 со стороны подачи или комбинация этих элементов должны быть выставлены системой автоматического выставления так, чтобы каждый спектральный пучок принимался соответствующей волоконной сердцевиной оптоволоконного жгута в конструкции жгута оптического волокна со стороны захвата. Например, в некоторых вариантах осуществления самое верхнее оптическое волокно конструкции жгута оптического волокна со стороны захвата может соответствовать или быть тем же самым типом оптического волокна, как самое верхнее оптическое волокно конструкции 505 жгута оптического волокна со стороны подачи. Аналогично, нижние левые оптические волокна могут соответствовать друг другу и нижние правые оптические волокна могут также соответствовать друг другу.

[0058] На Фиг.6 показана системная блок-схема системы 600 автоматического выставления для системы TDLAS с далеко отстоящими друг от друга длинами волн. Система 600 автоматического выставления включает в себя подающую головку 605, связанную с платформой 675 подающих головок и оптически связанную с захватывающей головкой 620, связанной с платформой 665 захватывающих головок. Подающая головка 605 передает оптический сигнал на захватывающую головку 620 через оптическую траекторию l-l. Подающая головка 605 включает в себя передающую оптику 610 и в различных вариантах осуществления может необязательно включать в себя конструкцию 615 волоконного жгута. Захватывающая головка 620 включает в себя приемную оптику 625, дополнительную конструкцию 630 волоконного жгута (показана пунктирными линиями) и датчик 635.

[0059] Платформа 675 подающих головок связана с одним или более управляющими устройствами 670, а платформа 665 захватывающих головок связана с одним или более управляющими устройствами 660. Каждое из управляющих устройств 660, 670 связано с электронным контроллером 655. Электронный контроллер 655 связан с системой 640 управления. Датчик 635 захватывающей головки 620 также связан с системой 640 управления, предоставляя данные измерений на систему 640 управления для управления выставлением на основании обратной связи среди других вычислений и функций на основании измеренных сигналов. В различных вариантах осуществления датчик 635 включает в себя двухдиапазонный детектор, как описано выше относительно Фиг.2. Система 640 управления включает в себя процессор 645, память 650 и машиночитаемый носитель 680. Система управления может включать в себя различные программные элементы и компьютерные команды, которые могут быть сохранены на машиночитаемом носителе 680 и загружены в системную память 650. Системная память 650 может включать в себя, без ограничения, оперативную память (RAM) или постоянное запоминающее устройство (ROM), которое может быть программируемым, перепрограммируемым или чем-либо подобным.

[0060] Каждая захватывающая и подающая головка прикрепляются соответственно к платформам 665, 675 захватывающих и подающих головок. Платформы 665, 675 захватывающих и подающих головок являются регулируемыми по меньшей мере вдоль двух осей степеней свободы. Например, в одном наборе вариантов осуществления платформы захватывающих и подающих головок могут иметь возможность перекоса и наклона относительно осей, ортогональных к оптической оси l-l, и вращения вокруг оптической оси l-l. В дополнительных вариантах осуществления платформы 665, 675 захватывающих и подающих головок могут также двигаться вбок вдоль плоскости, ортогональной к оптической оси l-l, и двигаться вперед и назад, поперек по оптической оси l-l. Перекос, наклон, вращение, боковые и осевые перемещения могут управляться одним или более соответствующими управляющими устройствами 660, 670. Управляющие устройства 660, 670 включают в себя, без ограничения, серводвигатели, шаговые двигатели, пневматические приводы, гидравлические приводы или любые другие электромеханические средства активации для регулировки положения платформы 665, 675 захватывающих и подающих головок. В соответствии с другим набором вариантов осуществления каждый из компонентов подающей и захватывающей головок 605, 620 может управляться независимо с каждым компонентом, установленным на отдельных регулируемых площадках. Например, в различных вариантах осуществления что-либо или все из передающей оптики 610, конструкции 615 волоконного жгута, подающей головки 605, приемной оптики 625, дополнительной конструкции 630 жгута оптического волокна со стороны захвата, фотодетектора 635 и захватывающей головки 620 может быть установлено на независимых регулируемых площадках.

[0061] Управляющие устройства 660, 670 могут управляться электронным контроллером 655. Во время выставления системы различные варианты осуществления требуют того, чтобы система 640 управления контролировала оптическую мощность принимаемого лазерного света, который регистрируется датчиком 635. Нарушение выставления уменьшит оптическую мощность принимаемого сигнала. Во время автоматического выставления система 640 управления измеряет регистрируемый сигнал от датчика 635 и направляет электронный контроллер 655 так, чтобы заставить один или оба из управляющих устройств 660, 670 перемещаться на заданное смещение в одном направлении. Система 640 управления затем снова измеряет регистрируемый сигнал. Если сигнал увеличивается, то система 640 управления направляет электронный контроллер 655 так, чтобы заставить управляющее устройство 660, 670 продолжать двигаться постепенно в том же направлении, пока сигнал не увеличится еще больше. Система 640 управления будет затем направлять электронный контроллер 655 так, чтобы заставить другие управляющие устройства из одного или более управляющих устройств 660, 670 проходить вдоль оси, ортогональной к предыдущей оси. Перекос, наклон, боковые, и поперечные движения могут быть выполнены таким образом для взаимного выставления подающей и захватывающей головок 605, 620. Таким образом, датчик 635 обеспечивает обратную связь для системы 640 управления в целях автоматического выставления. В других вариантах осуществления подающая и захватывающая головки могут быть выставлены вдоль множественных осей одновременно, поочередно или последовательно, по одной оси одновременно. В некоторых вариантах осуществления система 640 управления может только передать измеренные уровни сигнала на электронный контроллер 655, с которыми электронный контроллер 655 может затем провести процедуру ориентации. В других вариантах осуществления система 640 управления может непосредственно послать сигналы управления на управляющие устройства 660, 670 без необходимости в электронном контроллере 655. В различных вариантах осуществления система 640 управления может переместить платформу 665 захватывающих головок и платформу 675 подающих головок независимо или объединенным образом.

[0062] Вследствие бокового смещения волоконных сердцевин конструкции волоконного жгута (то есть смещения в фокальной плоскости) каждый из передаваемых пучков будет немного расходиться. Таким образом, при деколлимации приемной оптикой 625 пучки будут фокусироваться в различных точках в пространстве. Таким образом, при автоматическом выставлении системой может быть необходимо множество ориентации в соответствии с каждым из сигналов от каждой из сердцевин оптоволоконного жгута. В некоторых вариантах осуществления система 640 управления может выполнять процедуру автоматического выставления для каждого спектрального пучка в соответствии с каждой соответствующей волоконной сердцевиной. Таким образом, захватывающая головка 620 должна быть выставлена так чтобы датчик 635 принимал пучок соответствующей длины волны от конструкции 615 жгута оптического волокна со стороны подачи.

[0063] В различных вариантах осуществления процедура автоматического выставления может быть проведена до фактической работы, и положения выставления для каждого принимаемого спектрального пучка могут быть сохранены электронным контроллером 655 и/или системой 640 управления, а захватывающая головка 620 может быть отрегулирована до каждого из сохраненных положений, соответствующих передаваемого спектральному пучку. В других вариантах осуществления выставление захватывающей головки 620 может быть отрегулировано в режиме реального времени при передаче каждого пучка.

[0064] В одном аспекте варианты осуществления могут использовать систему 640 управления для выполнения способов в соответствии с различными вариантами осуществления изобретения. В соответствии с рядом вариантов осуществления некоторые или все процедуры таких способов выполняются системой 640 управления в ответ на действия процессора 645, выполняющего одну или более последовательностей одной или более команд. Одна или более команд могут быть включены в операционную систему и/или другой код, который может содержаться в памяти 650, например, прикладная программа. Такие команды могут быть считаны в памяти 650 с машиночитаемого носителя 680, например, с одного или более запоминающих устройств (не изображены).

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ АРХИТЕКТУРА ДИХРОИЧНОГО ОБЪЕДИНИТЕЛЯ ПУЧКА

[0065] На Фиг.7 показана альтернативная архитектура для передачи пучков с далеко отстоящими друг от друга длинами волн в одномодовом режиме от одной подающей головки и на соответствующую одну захватывающую головку с дихроичным объединителем 700 пучка в соответствии с различными вариантами осуществления. Дихроичный объединитель 700 пучка обеспечен в каждой передающей подающей головке, захватывающей головке или и в подающей, и в захватывающей головках системы TDLAS с далеко отстоящими друг от друга длинами волн.

[0066] Дихроичный объединитель 700 пучка содержит корпус 730, имеющий первый дихроичный элемент 705 и второй дихроичный элемент 710. Каждый из дихроичных элементов 705, 710 функционируют как дихроичный светоделитель или зеркало, которое отражает свет определенной длины волны или диапазон длин волн, позволяя проходить свету других длин волн. Например, в соответствии с одним набором вариантов осуществления одномодовое оптическое волокно 715 может быть использовано для передачи света с длиной волны 2330 нм, одномодовое оптическое волокно 720 используется для передачи света с длиной волны 1350 нм, а одномодовое оптическое волокно 725 используется для передачи света с длиной волны 760 нм. Таким образом, дихроичные элементы 705, 710 выбираются так, чтобы позволить свету с длиной волны 2330 нм проходить, с дихроичным элементом 705, отражающим свет с длиной волны 1350 нм, и дихроичным элементом 710, отражающим свет с длиной волны 760 нм, но также и позволяющим проходить свету с длиной волны 1350 нм.

[0067] Таким образом, каждая длина волны лазерного пучка входит в дихроичный объединитель 700 пучка через соответствующее одномодовое оптическое волокно 715, 720, 725, соответствующее данной длине волны, с каждым из одномодовых оптических волокон 715, 720, и 725, оптически связанных с корпусом 730. Корпус 730, одномодовые оптические волокна 715, 720, 725 и дихроичные элементы 705, 710 выполнены и выставлены для получения пучка с объединенными длинами волн, который коллимируется через коллимирующую линзу 735 в выходной апертуре корпуса 730.

[0068] Благодаря использованию архитектуры дихроичного объединителя 700 пучка может быть использована или TDM или WDM конфигурация. Например, в соответствии с одним набором вариантов осуществления различные длины волн света могут быть переданы поочередно только с одной длиной волны света, передаваемой в данный момент времени. В вариантах осуществления, использующих конфигурацию TDM, захватывающая головка может содержать фотодетектор для непосредственного приема передаваемого сигнала. Альтернативно, может быть использован соответствующий дихроичный (разъединитель) объединитель пучка со стороны захвата. В соответствии с другим набором вариантов осуществления может быть использована конфигурация WDM, где каждая длина волны света передается одновременно. В такой конфигурации может быть использован соответствующий набор дихроичных объединителей пучка.

[0069] Где используется пара дихроичных объединителей 700 пучка, соответствующих сторонам подачи и захвата так же, как дихроичный объединитель пучка со стороны подачи может быть использован для производства пучка с объединенными длинами волн, дихроичный объединитель пучка со стороны захвата может быть использован для разъединения пучка с объединенными длинами волн. Например, в некоторых вариантах осуществления дихроичные элементы 705, 710 со стороны подачи могут быть выбраны для получения возможности прохождения света с длиной волны 2330 нм с дихроичным элементом 705, отражающим свет с длиной волны 1350 нм, и дихроичным элементом 710, отражающим свет с длиной волны 760 нм, но также и позволяющим прохождение света с длиной волны 1350 нм. На стороне приема, дихроичные элементы 705, 710 могут быть аналогично выбраны для получения возможности прохождения света с длиной волны 2330 нм, но имеющийся дихроичный элемент 710 на стороне захвата отражает свет с длиной волны 760 нм, позволяя прохождение света с длиной волны 1350 нм и 2330 нм, дихроичный элемент 705 на стороне захвата отражает свет с длиной волны 1350 нм, но позволяет прохождение света с длиной волны 2330 нм.

[0070] В дополнительных вариантах осуществления дихроичные объединители пучка могут также использоваться в комбинации с конструкциями волоконного жгута, как описано относительно вышеупомянутых вариантов осуществления, так же как и системы автоматического выставления, описанные относительно сборок волоконного жгута.

[0071] Хотя процедуры способов и процессов описаны здесь для простоты в определенном порядке, если только контекст не диктует иное, различные процедуры могут быть переупорядочены, добавлены и/или исключены в соответствии с различными вариантами осуществления. Кроме того, процедуры, описанные относительно одного способа или процесса могут быть включены в пределы других описанных способов или процессов; аналогично, системные компоненты, описанные в соответствии с определенной структурной архитектурой и/или относительно одной системы могут быть организованы в альтернативной структурной архитектуре и/или включены в пределы других описанных систем. Следовательно, хотя различные варианты осуществления описаны вместе с некоторыми признаками или без некоторых признаков для простоты описания и для иллюстрации примерных объектов этих вариантов осуществления, различные компоненты и/или признаки, описанные здесь относительно конкретного варианта осуществления, могут быть заменены, добавлены и/или удалены из числа других описанных вариантов осуществления, если контекст не диктует другое. Следовательно, хотя выше описано несколько примерных вариантов осуществления, следует отметить, что изобретение предполагает охват всех модификаций и эквивалентов в пределах объема притязаний нижеследующей формулы.

Изобретение относится к области спектроскопии и касается системы для абсорбционной спектроскопии с перестраиваемыми диодными лазерами с далеко отстоящими друг от друга длинами волн. Система включает в себя по меньшей мере первый и второй перестраиваемые диодные лазеры, генерирующие лазерный свет на первой и второй длинах волн, причем лазерный свет первой и второй длин волн не может эффективно совместно распространяться по одному и тому же одномодовому оптическому волокну. Излучение первого лазера проходит через первое одномодовое оптическое волокно, а излучение второго лазера проходит через второе одномодовое оптическое волокно. Оптические волокна собираются в волоконный жгут, который формируется из дальних концов первого и второго оптических волокон, зачищенных от их покрытий и размещенных с их оболочками смежно друг другу. Излучение от волоконного жгута проецируется через зону измерения с помощью одной или более подающих головок. Прошедшее через зону измерения излучение принимают с помощью одной или более захватывающих головок, расположенных поперек зоны измерения, и направляют на по меньшей мере один датчик. Технический результат заключается в расширении спектрального диапазон измерений. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Система для абсорбционной спектроскопии с перестраиваемыми диодными лазерами с далеко отстоящими друг от друга длинами волн, содержащая:

по меньшей мере первый и второй перестраиваемые диодные лазеры, причем первый перестраиваемый диодный лазер генерирует лазерный свет на первой длине волны, второй перестраиваемый диодный лазер генерирует лазерный свет на второй длине волны, причем лазерный свет первой и второй длин волн не может совместно распространяться на одной поперечной моде с одновременно высокой эффективностью по одномодовому оптическому волокну;

первое оптическое волокно, имеющее ближний конец и дальний конец, причем первое оптическое волокно оптически связано с первым перестраиваемым диодным лазером на ближнем конце, первое оптическое волокно является одномодовым оптическим волокном, выполненным с возможностью проводить свет на первой длине волны;

второе оптическое волокно, имеющее ближний конец и дальний конец, причем второе оптическое волокно оптически связано со вторым перестраиваемым диодным лазером на ближнем конце, второе оптическое волокно является одномодовым оптическим волокном, выполненным с возможностью проводить свет на второй длине волны;

волоконный жгут, содержащий дальние концы по меньшей мере первого и второго оптических волокон, причем дальние концы первого и второго оптических волокон зачищены от их соответствующих покрытий и причем первая световедущая сердцевина первого оптического волокна и вторая световедущая сердцевина второго оптического волокна размещены их оболочками смежно друг другу с формированием жгутовой конфигурации;

одну или более подающих головок, содержащих передающую оптику, оптически связанную с первым и вторым перестраиваемыми диодными лазерами через дальние концы первого и второго оптических волокон оптоволоконного жгута, причем подающая головка выполнена с возможностью проецировать соответствующие пучки лазерного света от первой световедущей сердцевины и второй световедущей сердцевины, причем подающая головка ориентирована для проецирования соответствующих пучков от каждой из первой и второй световедущих сердцевин через зону измерения;

один или более датчиков, причем каждый датчик содержит соответственно по меньшей мере один фотодетектор, причем каждый из упомянутого по меньшей мере одного фотодетектора выполнен с возможностью регистрации оптической мощности света на первой и второй длинах волн; и

одну или более захватывающих головок, расположенных поперек зоны измерения на выбранном расстоянии от упомянутых одной или более подающих головок, причем упомянутая одна или более захватывающих головок оптически связана с соответствующей подающей головкой из упомянутых одной или более подающих головок для приема соответствующих пучков первой и второй световедущих сердцевин и направления соответствующих пучков на по меньшей мере один из упомянутых одного или более датчиков.

2. Система по п.1, причем упомянутая одна или более захватывающих головок дополнительно содержит:

приемную оптику и

по меньшей мере один из упомянутого одного или более датчиков соответственно;

причем по меньшей мере одна из передающей оптики или приемной оптики выполнена с возможностью направления соответствующих пучков на упомянутый по меньшей мере один из упомянутых одного или более датчиков.

3. Система по п.1, дополнительно содержащая:

третий перестраиваемый диодный лазер, генерирующий лазерный свет на третьей длине волны;

третье оптическое волокно, имеющее ближний конец и дальний конец, причем третье оптическое волокно оптически связано с третьим перестраиваемым диодным лазером на ближнем конце, третье оптическое волокно является одномодовым оптическим волокном, выполненным с возможностью проводить свет на третьей длине волны;

причем волоконный жгут дополнительно содержит дальний конец третьего оптического волокна,

причем дальний конец третьего оптического волокна зачищен от его покрытия, и причем третья световедущая сердцевина третьего оптического волокна размещена ее оболочкой смежно с по меньшей мере одной из первой или второй световедущих сердцевин с формированием части жгутовой конфигурации; и

причем каждый из упомянутого по меньшей мере одного фотодетектора выполнен с возможностью регистрации оптической мощности света на третьей длине волны.

4. Система по п.3, причем жгутовая конфигурация представляет собой треугольную конфигурацию первой, второй и третьей световедущих сердцевин.

5. Система по п.1, причем выходы первого и второго перестраиваемых диодных лазеров переключаются в соответствии со схемой мультиплексирования с разделением по времени, причем лазерный свет только одной из первой или второй длин волн проецируется упомянутой одной или более подающими головками в данный момент времени.

6. Система по п.1, дополнительно содержащая первый оптический переключатель, связанный с дальним концом первого оптического волокна, и второй оптический переключатель, связанный дальним концом второго оптического волокна, причем первый и второй оптические переключатели предназначены для переключения их выходов последовательно между каждой из упомянутой одной или более подающих головок.

7. Система по п.1, дополнительно содержащая множество разделителей пучка, связанных с соответствующими дальними концами первого и второго оптических волокон, причем упомянутое множество разделителей пучка выполнено с возможностью выдачи света параллельно на каждую из упомянутых одной или более подающих головок.

8. Система по п.1, причем первая длина волны составляет около 760 нанометров, а вторая длина волны составляет около 2330 нанометров.

9. Система по п.1, дополнительно содержащая:

одну или более платформ подающих головок, каждая из упомянутой одной или более платформ подающих головок связана соответственно с каждой из упомянутой одной или более подающих головок, причем упомянутая одна или более платформ подающих головок или каждая связанная передающая оптика или подающая головка являются регулируемыми вдоль по меньшей мере двух осей степеней свободы;

множество управляющих устройств, связанных соответственно с каждой из упомянутой одной или более платформ подающих головок или с каждой связанной передающей оптикой или подающей головкой, причем управляющие устройства функционируют для активации каждой соответствующей платформы подающих головок или каждой связанной передающей оптики или подающей головки в по меньшей мере одной из упомянутых по меньшей мере двух осей степеней свободы;

электронный контроллер, связанный с упомянутым множеством управляющих устройств и выполненный с возможностью подачи сигналов управления на каждое из упомянутого множества управляющих устройств; и

систему управления, выполненную с возможностью выставления подающей головки из упомянутой одной или более подающих головок при выставлении с соответствующей захватывающей головкой из упомянутой одной или более захватывающих головок, причем система управления заставляет по меньшей мере одно управляющее устройство из упомянутого множества управляющих устройств, связанных с платформой подающих головок или каждой связанной передающей оптикой или с подающей головкой из выставляемых подающих головок, регулировать положение подающей головки, основываясь по меньшей мере частично на измерениях, принятых от фотодетектора соответствующей захватывающей головки у выставляемой подающей головки.

10. Система по п.9, дополнительно содержащая:

одну или более платформ захватывающих головок, причем каждая из упомянутой одной или более платформ захватывающих головок имеет приемную оптику, связанную соответственно с каждой из упомянутой одной или более захватывающих головок, причем упомянутая одна или более платформ захватывающих головок или каждая связанная приемная оптика или захватывающая головка являются регулируемыми вдоль по меньшей мере двух осей степеней свободы;

причем упомянутое множество управляющих устройств связаны соответственно с каждой из упомянутой одной или более платформ захватывающих головок или каждой связанной приемной оптикой или захватывающей головкой, причем управляющие устройства функционируют для активации каждой соответствующей платформы захватывающих головок или каждой связанной приемной оптики или захватывающей головки в по меньшей мере одной из упомянутых по меньшей мере двух осей степеней свободы и

причем система управления выполнена с возможностью выставления захватывающей головки при выставлении упомянутой одной или более захватывающих головок с соответствующей подающей головкой из упомянутой одной или более подающих головок, причем система управления заставляет по меньшей мере одно управляющее устройство из упомянутого множества управляющих устройств, связанных с платформой захватывающих головок или каждой связанной приемной оптикой или захватывающей головкой из выставляемых захватывающих головок, регулировать положение захватывающей головки, основываясь по меньшей мере частично на измерениях, принятых от датчика из упомянутого одного или более датчиков соответствующей выставляемой захватывающей головки.

11. Подающая головка для абсорбционной спектроскопии с перестраиваемыми диодными лазерами с далеко отстоящими друг от друга длинами волн, содержащая:

корпус, выполненный с возможностью оптической связи с волоконным жгутом, содержащим дальние концы по меньшей мере первого и второго входных оптических волокон, причем первое входное оптическое волокно представляет собой одномодовое оптическое волокно, которое проводит лазерный свет на первой длине волны, а второе входное оптическое волокно представляет собой одномодовое оптическое волокно, которое проводит лазерный свет на второй длине волны, причем лазерный свет первой и второй длин волн не может совместно распространяться на одной поперечной моде с одновременно высокой эффективностью по одномодовому оптическому волокну;

причем дальние концы по меньшей мере первого и второго входных оптических волокон зачищены от их соответствующих покрытий и причем первая световедущая сердцевина первого входного оптического волокна и вторая световедущая сердцевина второго входного оптического волокна размещены их оболочками смежно друг другу с формированием жгутовой конфигурации; и

передающую оптику, выполненную с возможностью проецирования соответствующих пучков лазерного света от каждой из упомянутой по меньшей мере первой и второй световедущих сердцевин через зону измерения;

причем корпус ориентирован так, что соответствующие пучки достигают захватывающей головки, расположенной поперек зоны измерения на выбранном расстоянии от корпуса.

12. Подающая головка по п.11, причем волоконный жгут дополнительно имеет дальний конец третьего входного оптического волокна, причем третье входное оптическое волокно представляет собой одномодовое оптическое волокно, которое проводит лазерный свет на третьей длине волны, причем дальний конец третьего оптического волокна зачищен от его покрытия и причем третья световедущая сердцевина третьего входного оптического волокна размещена ее оболочкой смежно оболочке по меньшей мере одной из первой или второй световедущих сердцевин, формируя часть жгутовой конфигурации.

13. Подающая головка по п.12, причем жгутовая конфигурация представляет собой треугольную конфигурацию первой, второй и третьей световедущих сердцевин.

14. Подающая головка по п.11, причем корпус связан с платформой подающих головок, причем платформа подающих головок связана с подающей головкой с по меньшей мере одной из платформы подающих головок, передающей оптики или подающей головки, регулируемой вдоль по меньшей мере двух осей степеней свободы, причем управляющее устройство связано с по меньшей мере одной из платформы подающих головок, передающей оптики или подающей головки, причем управляющее устройство функционирует для активации упомянутой по меньшей мере одной из платформы подающих головок, передающей оптики или подающей головки в по меньшей мере одной из упомянутых по меньшей мере двух осей степеней свободы и причем система управления выполнена с возможностью выставления подающей головки с соответствующей захватывающей головкой, причем система управления заставляет управляющее устройство регулировать положение упомянутой по меньшей мере одной из платформы подающих головок, передающей оптики или подающей головки по меньшей мере частично по измерениям, принятым от фотодетектора соответствующей захватывающей головки.

15. Подающая головка по п.11, причем лазерный свет от первого и второго входных оптических волокон переключается в соответствии со схемой мультиплексирования с разделением по времени, причем лазерный свет только на одной из первой или второй длин волн проецируется в данный момент времени.

16. Подающая головка по п.11, причем первая длина волны составляет примерно 760 нанометров, а вторая длина волны составляет примерно 2330 нанометров.

17. Способ лазерной спектроскопии с перестраиваемыми диодными лазерами с далеко отстоящими друг от друга длинами волн, содержащий:

генерацию первого лазерного пучка с первой длиной волны;

генерацию второго лазерного пучка со второй длиной волны;

проведение первого лазерного пучка по первому одномодовому оптическому волокну и второго лазерного пучка по второму одномодовому оптическому волокну, причем лазерный свет первой и второй длин волн не может совместно распространяться на одной поперечной моде с одновременно высокой эффективностью по одномодовому оптическому волокну;

зачистку дальних концов первого и второго одномодововых оптических волокон от их соответствующих покрытий;

размещение первой световедущей сердцевины первого одномодового оптического волокна его оболочкой смежно с оболочкой второй световедущей сердцевины второго одномодового оптического волокна с формированием жгутовой конфигурации;

формирование оптоволоконного жгута из жгутовой конфигурации первой и второй световедущих сердцевин;

передачу с помощью подающей головки соответствующих пучков лазерного света от каждой из первой и второй световедущих сердцевин оптоволоконного жгута через зону измерения;

прием каждого соответствующего пучка в захватывающей головке, расположенной поперек зоны измерения на выбранном расстоянии от подающей головки;

регистрацию в захватывающей головке оптической мощности света на каждой из первой и второй длинах волн и

определение концентрации целевых веществ, имеющих линию поглощения на первой и второй длинах волн.

18. Способ по п.17, дополнительно содержащий:

регулировку одного или более параметров сгорания на основании относительной концентрации целевых веществ в зоне измерения.

19. Способ по п.17, дополнительно содержащий:

регулировку ориентации подающей или захватывающей головки на основании по меньшей мере частично зарегистрированной оптической мощности лазерного света.

20. Способ по п.17, дополнительно содержащий переключение выхода первого и второго лазерных пучков в соответствии с мультиплексированием с разделением по времени, причем лазерный свет только на одной из первой или второй длин волн передается в данный момент времени.