一种气体浓度检测设备和气体浓度的检测方法

技术领域

本申请涉及气体传感器领域，尤其涉及一种气体浓度检测设备和气体浓度的检测方法。

背景技术

高精度气体传感器在石油、煤矿、化工行业、采矿、冶金、发电厂、变电站、大气监测等诸多领域有广泛应用需求。当前方案通常采用单点式气体传感器，例如，基于可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectrum，TDLAS)甲烷气体传感器，是利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性，实现对分子的单个或几个距离很近很难分辨的吸收线进行测量。

在诸如油气输送的场景下，油气管道长度在km量级以上，因此需要在管道沿线多点监测。但是单点式气体传感器的结构复杂且成本较高，不利于多点部署和监测。

发明内容

本申请提供了一种气体浓度检测设备和气体浓度的检测方法，系统结构更简单，便于实现多点部署和监测。

第一方面，本申请实施例提供了一种气体浓度检测设备。该气体浓度检测设备包括：信号发射装置、光纤传感装置和信号处理装置。其中，光纤传感装置包括光纤和位于光纤上的至少一个空气孔，待测气体通过空气孔进入光纤。信号发射装置用于向光纤输出探测信号。其中，探测信号包括泵浦光，泵浦光的波长周期性调谐，且泵浦光具有振荡频率。信号处理装置用于接收探测信号在空气孔处被反射的回波信号，根据回波信号确定振荡频率的幅值，根据振荡频率的幅值确定待测气体的浓度。

在该实施方式中，提供了一种基于光纤传感的分布式气体浓度检测设备，可以将光纤延伸出去贴近待测区域(如油气管道)部署。其中，光纤上可以开设一个或多个空气孔，以便于气体自由扩散进入光纤。光纤上每一个空气孔的位置都可以作为气体传感器，所有气体传感器共用一套信号发射装置和信号处理装置，系统结构更简单，便于实现多点部署和监测。并且，信号发射装置和信号处理装置可以放置在远端机房中，远离待测区域，安全性更好。

在一些可能的实施方式中，信号发射装置包括泵浦光源、激光器和脉冲光发生器。泵浦光源用于向光纤输出泵浦光。激光器用于向脉冲光发生器输出第一光束，并向信号处理装置输出第二光束。脉冲光发生器用于根据第一光束生成脉冲探测光，并向光纤输出脉冲探测光。其中，探测信号包括泵浦光和脉冲探测光。在该实施方式中，提供了一种信号发射装置的具体实现方式，增强了本方案的可实现性。

在一些可能的实施方式中，信号处理模块包括相干解调模块和锁相放大模块。回波信号包括在空气孔处被反射的脉冲探测光。相干解调模块用于根据第二光束对回波信号进行相干解调以得到回波信号的相位。锁相放大模块用于根据回波信号的相位确定振荡频率的幅值，并根据振荡频率的幅值确定待测气体的浓度。在该实施方式中，提供了一种信号处理模块的具体实现方式，采用了光学相干解调方式，能更加有效的放大气体吸收相位，因此在气体浓度值很低的时候也能检测到，探测气体的浓度范围更大。并且，这种光热检测不需要限制光探测器工作波长，对于光探测器容忍度更高。

在一些可能的实施方式中，信号发射装置包括泵浦光源和脉冲光发生器。泵浦光源用于向脉冲光发生器输出泵浦光。脉冲光发生器用于根据泵浦光生成脉冲探测光，并向光纤输出脉冲探测光。其中，探测信号包括脉冲探测光。在该实施方式中，提供了另一种信号发射装置的具体实现方式，采用的器件更少，系统更简单，成本更低。

在一些可能的实施方式中，信号处理模块包括光电探测器和锁相放大模块。回波信号包括在空气孔处被反射的脉冲探测光。光电探测器用于检测回波信号的强度。锁相放大模块用于根据回波信号的强度确定振荡频率的幅值，并根据振荡频率的幅值确定待测气体的浓度。在该实施方式中，提供了另一种信号处理模块的具体实现方式，通过检测回波信号的强度来确定振荡频率的幅值，进而根据振荡频率的幅值确定待测气体的浓度，提高了本方案的灵活性。并且，这种实现方式采用的器件更少，系统更简单，成本更低。

在一些可能的实施方式中，信号处理装置还用于根据回波信号确定待测气体的位置，以便于获知不同监测位置处的气体浓度。

在一些可能的实施方式中，光纤为空芯光纤，空芯光纤的特征在于光纤中心为空芯结构，气体可加压充入或自由扩散进入空芯光纤，同时由于空芯光纤约几十μm的直径，其特殊光波导结构在电磁学特征上限制光场径向扩散，光场在空芯中传输增强与气体的作用，因此可应用于气体传感监测。

在一些可能的实施方式中，光纤传感装置还包括至少一个耦合器，光纤包括主干光纤和至少一路分支光纤，分支光纤通过耦合器与主干光纤连接，耦合器用于对主干光纤中传输的探测信号进行分路得到第一探测信号和第二探测信号，第一探测信号沿着主干光纤继续传输，第二探测信号沿着分支光纤传输，主干光纤为实芯光纤，分支光纤包括实芯光纤和空芯光纤，空气孔位于空芯光纤上。本实施方式提供的这种光纤可应用于待测区域较长且待测区域分布较为分散的场景，通过主干光纤可以延伸到较远的距离，再通过一根或多根分支光纤去贴近待测区域，实现方式较为灵活。并且，实芯光纤相对于空芯光纤成本更低，可以有效节省成本。

在一些可能的实施方式中，光纤包括实芯光纤和空芯光纤，实芯光纤与空芯光纤串联，空气孔位于空芯光纤上。需要说明的是，由于实芯光纤相对于空芯光纤成本更低，本实施方式可以只在临近待测区域的一段采用空芯光纤，其他区域都采用实芯光纤，可以有效节省成本。

在一些可能的实施方式中，空芯光纤的类型包括反谐振空芯光纤、空芯光子带隙光纤和中空光纤，提高了本方案的扩展性。

第二方面，本申请实施例提供一种气体浓度的检测方法。该气体浓度的检测方法包括如下步骤。首先，向光纤输出探测信号。探测信号包括泵浦光，泵浦光的波长周期性调谐，且泵浦光具有振荡频率。光纤包括至少一个空气孔，待测气体通过空气孔进入光纤。之后，接收探测信号在空气孔处被反射的回波信号。进而，根据回波信号确定振荡频率的幅值，并根据振荡频率的幅值确定待测气体的浓度。

在一些可能的实施方式中，向光纤输出探测信号包括：生成泵浦光，并向光纤输出泵浦光。根据来自激光器的第一光束生成脉冲探测光，并向光纤输出脉冲探测光。其中，探测信号包括泵浦光和脉冲探测光。

在一些可能的实施方式中，根据回波信号确定振荡频率的幅值包括：根据来自激光器的第二光束对回波信号进行相干解调以得到回波信号的相位。根据回波信号的相位确定振荡频率的幅值。

在一些可能的实施方式中，向光纤输出探测信号包括：生成泵浦光，并根据泵浦光生成脉冲探测光。向光纤输出脉冲探测光，其中，探测信号包括脉冲探测光。

在一些可能的实施方式中，根据回波信号确定振荡频率的幅值包括：检测回波信号的强度。根据回波信号的强度确定振荡频率的幅值。

在一些可能的实施方式中，方法还包括：根据回波信号确定待测气体的位置。

在一些可能的实施方式中，光纤为空芯光纤。

在一些可能的实施方式中，光纤包括主干光纤和至少一路分支光纤，分支光纤通过耦合器与主干光纤连接，主干光纤中传输的探测信号经过耦合器后分路得到第一探测信号和第二探测信号，第一探测信号沿着主干光纤继续传输，第二探测信号沿着分支光纤传输，主干光纤为实芯光纤，分支光纤包括实芯光纤和空芯光纤，空气孔位于空芯光纤上。

在一些可能的实施方式中，光纤包括实芯光纤和空芯光纤，实芯光纤与空芯光纤串联，空气孔位于空芯光纤上。

在一些可能的实施方式中，空芯光纤的类型包括反谐振空芯光纤、空芯光子带隙光纤和中空光纤。

本申请实施例中，提供了一种基于光纤传感的分布式气体浓度检测设备，可以将光纤延伸出去贴近待测区域(如油气管道)部署。其中，光纤上可以开设一个或多个空气孔，以便于气体自由扩散进入光纤。具体地，气体浓度检测设备中的信号发射装置用于向光纤输出探测信号，该探测信号包括泵浦光，泵浦光被待测气体吸收会产生折射率变化，从而引起回波信号的强度变化和相位变化。该泵浦光的波长周期性调谐且泵浦光具有振荡频率。信号处理装置接收探测信号在空气孔处被反射的回波信号，先根据回波信号确定振荡频率的幅值，再根据振荡频率的幅值确定待测气体的浓度。通过上述描述，光纤上每一个空气孔的位置都可以作为气体传感器，所有气体传感器共用一套信号发射装置和信号处理装置，系统结构更简单，便于实现多点部署和监测。并且，信号发射装置和信号处理装置可以放置在远端机房中，远离待测区域，安全性更好。

本申请实施例中，提供了一种基于光纤传感的分布式气体浓度检测设备，可以将光纤延伸出去贴近待测区域(如油气管道)部署。其中，光纤上可以开设一个或多个空气孔，以便于气体自由扩散进入光纤。具体地，气体浓度检测设备中的信号发射装置用于向光纤输出探测信号，该探测信号包括泵浦光，泵浦光被待测气体吸收会产生折射率变化，从而引起回波信号的强度变化和相位变化。该泵浦光的波长周期性调谐且泵浦光具有振荡频率。信号处理装置接收探测信号在空气孔处被反射的回波信号，先根据所述回波信号确定振荡频率的幅值，再根据振荡频率的幅值确定待测气体的浓度。通过上述描述，光纤上每一个空气孔的位置都可以作为气体传感器，所有气体传感器共用一套信号发射装置和信号处理装置，系统结构更简单，便于实现多点部署和监测。并且，信号发射装置和信号处理装置可以放置在远端机房中，远离待测区域，安全性更好。

附图说明

图1为本申请中气体浓度检测设备的一个应用场景示意图；

图2为本申请中气体浓度检测设备的第一种结构示意图；

图3(a)为本申请中泵浦光扫描气体吸收线的示意图；

图3(b)为本申请中泵浦光被气体吸收产生的一次谐波示意图；

图3(c)为本申请中泵浦光被气体吸收产生的二次谐波示意图；

图4为本申请中气体浓度检测设备的第二种结构示意图；

图5为本申请中泵浦光源的一种结构示意图；

图6为本申请中相干解调模块的一种结构示意图；

图7为本申请中气体浓度检测设备的第三种结构示意图；

图8为本申请中气体浓度检测设备的第四种结构示意图；

图9为本申请中气体浓度检测设备的第五种结构示意图；

图10为本申请中气体浓度的检测方法的一个实施例示意图。

具体实施方式

本申请提供了一种气体浓度检测设备和气体浓度的检测方法，可以将光纤延伸出去贴近待测区域(如油气管道)部署。其中，光纤上可以开设一个或多个空气孔，以便于气体自由扩散进入光纤。光纤上每一个空气孔的位置都可以作为气体传感器，所有气体传感器共用一套信号发射装置和信号处理装置，系统结构更简单，便于实现多点部署和监测。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应理解，本申请提供的是一种基于光纤传感的分布式气体浓度检测设备，可应用在石油、煤矿、化工行业、采矿、冶金、发电厂、变电站、大气监测等诸多领域。作为一个示例，图1为本申请中气体浓度检测设备的一个应用场景示意图。如图1所示，气体浓度检测设备应用于对油气管道监测的场景。通常油气管道长度在km量级以上，并且需要在管道沿线多点监测。本申请提供的气体浓度检测设备只需要延伸一根光纤出去，使得光纤贴近油气管道部署就能实现管道处多点式气体泄露监测，可以定位油气管道泄露位置和气体浓度。其中，气体浓度检测设备中除光纤之外的其他组件可以放置在远端机房中，远离油气管道，安全性更好。下面对本申请提供的气体浓度检测设备进行详细介绍。

图2为本申请中气体浓度检测设备的第一种结构示意图。如图1所示，该气体浓度检测设备包括信号发射装置10、信号处理器装置20和光纤传感装置30。其中，光纤传感装置30包括光纤301和位于光纤301上的至少一个空气孔302。待测气体可以通过空气孔302进入光纤301。信号发射装置10用于向光纤301输出探测信号。如果有待测气体进入光纤301，该探测信号会在空气孔302出发生反射。信号处理装置20用于接收反射的回波信号，并根据回波信号确定待测气体的浓度和待测气体的位置。应理解，本申请不限定光纤301的长度，例如，光纤301的长度大于或等于2km。并且，空气孔302可以通过激光、机械或化学腐蚀在空芯光纤包层打孔得到。每相邻两个空气孔302之间可以是等间距的，也可以是非等间距的，例如，可以选择每10m开设一个空气孔。

具体地，信号发射装置10输出的探测信号包括泵浦光。作为一个示例，信号发射装置10生成两路光，一路是泵浦光，另一路是脉冲探测光，脉冲探测光和泵浦光会一同耦合进光纤301。作为另一个示例，信号发射装置10生成泵浦光，并根据泵浦光生成脉冲探测光，进而脉冲探测光耦合进光纤301。也就是说，不管采用哪种实现方式，信号发射装置10都具有泵浦光源。应理解，泵浦光在光纤301中被气体吸收会产生折射率变化，导致探测信号的光场产生相位变化。并且，泵浦光在光纤301中被气体吸收也会导致探测信号的强度变化。那么，信号处理装置20可以根据回波信号的相位或者强度来确定待测气体的浓度。后面将对这两种实现方式进行详细介绍。另外，信号处理装置20可以采用常用的激光测距方法来确定待测气体的位置，例如，采用类似飞行时间(Time of Flight，TOF)的方式进行测距，具体此处不做限定。

需要说明的是，本申请要求对泵浦光进行波长调制，以使得泵浦光的波长周期性调谐。并且，还要对泵浦光施加振荡频率，以产生特定的频率分量，用于降低测试环境低频段噪声干扰，从而提高信噪比。其中，泵浦光的波长采用慢调谐，例如，调谐频率为0.01Hz-100Hz。泵浦光具有快速振荡频率，例如，振荡频率可以采用KHz-MHz的量级。图3(a)为本申请中泵浦光扫描气体吸收线的示意图。如图3(a)所示，气体吸收线是指某一波段的光被气体吸收时在光谱中形成的暗谱线。由于泵浦光周期性地调谐波长，使其波长可以慢速扫描待测气体吸收峰产生的相位包络。应理解，气体吸收光的热运动达到稳定状态需要时间，在泵浦光波长周期性调谐的过程中，需要保证光纤中气体折射率达到稳定状态后，再使泵浦光波长从当前波长值变化到下一个波长值。

图3(b)为本申请中泵浦光被气体吸收产生的一次谐波示意图。图3(c)为本申请中泵浦光被气体吸收产生的二次谐波示意图。如图3(b)和图3(c)所示，由于气体吸收线是非线性的，泵浦光被气体吸收引起的强度变化和光热效应引起的相位变化都会产生一次谐波、二次谐波等。其中，一次谐波的频率等于振荡频率，二次谐波等于振荡频率的二倍，以此类推。应理解，一次谐波和二次谐波的峰峰值与气体浓度呈正比，一次谐波和二次谐波的峰峰值都可以表示泵浦光的振荡频率的幅值。因此，信号处理装置20通过计算振荡频率的幅值即可确定待测气体的浓度。

综合上述图3(a)-图3(c)，对泵浦光施加振荡频率是为了产生与气体浓度相关的一次谐波和二次谐波等，如图3(b)和图3(c)所示。如图3(a)所示周期性调谐泵浦光波长是为了产生如图3(b)所示的一次谐波的相位包络或如图3(c)所示二次谐波的相位包络。从而可以根据一次谐波或二次谐波的峰峰值确定泵浦光的振荡频率的幅值，进而振荡频率的幅值确定待测气体的浓度。

下面提供几种更为具体的气体浓度检测设备的实施方式。

实施方式1：通过解调回波信号的相位来确定振荡频率的幅值，进而根据振荡频率的幅值确定待测气体的浓度。

图4为本申请中气体浓度检测设备的第二种结构示意图。如图4所示，信号发射装置10包括：泵浦光源101、激光器102、脉冲光发生器103和环形器104。可选地，信号发射装置10还可以包括光放大器105。信号处理装置20包括：相干解调模块201和锁相放大模块202。具体地，泵浦光源101用于输出泵浦光，光放大器105用于对泵浦光进行放大并将放大后的泵浦光输出至光纤301。激光器102用于向脉冲光发生器103输出第一光束，并向相干解调模块201输出第二光束。脉冲光发生器103根据第一光束生成脉冲探测光，脉冲光发生器103输出的脉冲探测光经过环形器104传输至光纤301。应理解，本实施方式中，信号发射装置10输出的探测信号包括耦合进光纤301的泵浦光和脉冲探测光，回波信号包括在空气孔302处被反射的脉冲探测光。回波信号经过环形器104后传输至相干解调模块201。相干解调模块201可以根据第二光束对回波信号进行相干解调以得到回波信号的相位。锁相放大模块202根据回波信号的相位解调出泵浦光的振荡频率和该振荡频率的整数倍，并确定该振荡频率的幅值。由于振荡频率的幅值与气体浓度成正比，锁相放大模块202根据振荡频率的幅值即可确定待测气体的浓度。还应理解，上述的环形器104只是一个示例，在实际应用中还可以采用其他类似的器件实现，例如，采用一个三端口器件，其中两个端口为单向光口，两个单向端口传输的光方向相反。另外一个端口为双向传输复用的端口，该端口支持光的双向传输。

作为一个示例，空气孔302包括空气孔1、空气孔2、空气孔3…，在空气孔1处反射的回波信号的相位为

下面介绍泵浦光源101一种可能的结构。图5为本申请中泵浦光源的一种结构示意图。如图5所示，泵浦光源包括信号发生器101a、温度电流控制器101b和直流激光器101c。信号发生器101a产生的锯齿波和正弦波共同调制温度电流控制器101b。其中，锯齿波频率可以为0.01Hz-100Hz，正弦波频率可以为KHz-MHz量级。温度电流控制器101b产生相应频率调制的电流信号输送给直流激光器101c。直流激光器101c随之产生波长周期性调谐的泵浦光，且该泵浦光具有振荡频率。其中，调谐频率为0.01Hz-100Hz，振荡频率为KHz-MHz量级。

下面介绍相干解调模块201一种可能的结构。图6为本申请中相干解调模块的一种结构示意图。如图6所示，相干解调模块201包括偏振分束器2011、偏振分束器2012、2×2耦合器2013、2×2耦合器2014、平衡光探测器2015、平衡光探测器2016、模数转换器2017、模数转换器2018和数据处理单元2019。偏振分束器2011用于接收来自激光器102的第二光束，并将第二光束分为x1偏振光和y1偏振光，x1偏振光与y1偏振光相互正交。偏振分束器2011用于接收来自光纤传感装置30的回波信号，并将回波信号分为x2偏振光和y2偏振光，x2偏振光与y2偏振光相互正交。x1偏振光和x2偏振光耦合进2×2耦合器2013，产生干涉光信号后耦合进平衡光探测器2015，平衡光探测器2015将光信号转换成电信号后输出至模数转换器2017。同理，y1偏振光和y2偏振光耦合进2×2耦合器2014，产生干涉光信号后耦合输入进平衡光探测器2016，平衡光探测器2016将光信号转换成电信号后输出至模数转换器2018。模数转换器2017和模数转换器2018分别将输入的模拟信号转换为数字信号，并分别将数字信号输出至数据处理单元2019。数据处理单元2019根据输入的数字信号解调出回波信号的相位。

实施方式2：通过检测回波信号的强度来确定振荡频率的幅值，进而根据振荡频率的幅值确定待测气体的浓度。

图7为本申请中气体浓度检测设备的第三种结构示意图。如图7所示，信号发射装置10包括：泵浦光源101、脉冲光发生器103和控制器106。信号处理装置20包括：光电探测器203和锁相放大模块202。光纤传感装置30还包括环形器303。具体地，泵浦光源101向脉冲光发生器103输出泵浦光。脉冲光发生器103根据输入的泵浦光生成脉冲探测光。脉冲光发生器103输出的脉冲探测光经过环形器303后输出至光纤301。其中，控制器106用于控制脉冲光发生器103开启或关闭。在泵浦光源101周期性调谐泵浦光波长的过程中，每当泵浦光波长固定在一个波长值时，控制器106控制脉冲光发生器103开启；反之，控制器106控制脉冲光发生器103关闭。应理解，本实施方式中，信号发射装置10输出的探测信号即为脉冲探测光，回波信号包括在空气孔302处被反射的脉冲探测光。回波信号经过环形器303后传输至光电探测器203。光电探测器203用于将输入的回波信号转换为电信号，并检测电信号的强度，该电信号的强度即可反映回波信号的强度。锁相放大模块202根据回波信号的强度解调出泵浦光的振荡频率和该振荡频率的整数倍，并确定该振荡频率的幅值。由于振荡频率的幅值与气体浓度成正比，锁相放大模块202根据振荡频率的幅值即可确定待测气体的浓度。

应理解，本实施方式2中的泵浦光源101可以采用与上述实施方式1中类似的泵浦光源，具体可以参照上述实施方式1中的相关描述，此处不再赘述。在一些可能的实施方式中，环形器303可以设置在信号发射装置10中，具体此处不做限定。关于环形器303可以参照上述实施方式1中对环形器104的介绍，此处不再赘述。在一些可能的实施方式中，控制器106可以内置在信号发射装置10中，也可以作为一个独立的模块对脉冲光发生器103进行控制，具体此处不做限定。

需要说明的是，上述实施方式1采用了光学相干解调方式，能更加有效的放大气体吸收相位，因此在气体浓度值很低的时候也能检测到，即上述实施方式1相比实施方式2探测气体的浓度范围更大。并且，上述实施方式1相对于实施方式2的另外一个优势是对于光探测器容忍度更高，实施方式1采用的光热检测不需要限制光探测器工作波长，而实施方式2强度检测需要光探测器工作波长与泵浦激光器工作波长一致。上述实施方式2相比实施方式1所采用的器件更少，系统更简单，成本更低。

在实际应用中，光纤传感装置30中所采用的光纤301可以有多种实现方式，下面分别进行介绍。

在一种可能的实现方式中，光纤301全段都采用空芯光纤。空芯光纤的特征在于光纤中心为空芯结构，气体可加压充入或自由扩散进入空芯光纤，同时由于空芯光纤约几十μm的直径，其特殊光波导结构在电磁学特征上限制光场径向扩散，光场在空芯中传输增强与气体的作用，因此可应用于气体传感监测。应理解，空芯光纤的类型包括但不限于反谐振空芯光纤、空芯光子带隙光纤和中空光纤。反谐振空芯光纤是包括包层和多个微环结构，包层包围形成内部空间，多个微环结构位于内部空间内，多个微环结构共同包围区域为纤芯区域，纤芯区域为光波传输的区域。空芯光子带隙光纤是包括包层和规则排列的空气孔，包层包围形成内部空间，规则排列的空气孔位于内部空间内，空气孔包围形成中心空心区域，空心区域为光波传输的区域。中空光纤是包括包层和银反射膜，包层包围形成内部空间，银膜镀在包层内表面形成空心区域，光场在银膜处发生全反射被限制在空心区域。

在另一种可能的实施方式中，图8为本申请中气体浓度检测设备的第四种结构示意图。如图8所示，光纤传感装置30还包括至少一个耦合器304。光纤301包括主干光纤3011和至少一路分支光纤3012。其中，主干光纤3011为实芯光纤。分支光纤3012可分为两段，其中一段为实芯光纤3012a，另一段为空芯光纤3012b。下面以其中一路分支光纤为例进行介绍，其他分支光纤的连接方式类似。具体地，分支光纤3012上的实芯光纤3012a与空芯光纤3012b串联，空气孔302位于空芯光纤3012b上，实芯光纤3012a通过耦合器304与主干光纤3011连接。耦合器304用于对主干光纤中传输的探测信号进行分路得到第一探测信号和第二探测信号。其中，第一探测信号沿着主干光纤3011继续传输，第二探测信号沿着分支光纤3012传输。应理解，本实施方式中的实芯光纤的类型包括但不限于多模光纤、单模光纤和多芯光纤。本实施方式中的空芯光纤的类型包括但不限于反谐振空芯光纤、空芯光子带隙光纤和中空光纤。还应理解，在一些场景中，上述分段光纤也可以全段采用空芯光纤，空芯光纤也可以通过镀膜等处理来增加反射效率，具体此处不做限定。需要说明的是，实芯光纤的长度范围通常在1m-100km，空芯光纤的长度范围通常在1cm-100m。本实施方式提供的这种光纤可应用于待测区域较长且待测区域分布较为分散的场景，通过主干光纤可以延伸到较远的距离，再通过一根或多根分支光纤去贴近待测区域，实现方式较为灵活。并且，实芯光纤相对于空芯光纤成本更低，可以有效节省成本。

在又一种可能的实施方式中，图9为本申请中气体浓度检测设备的第五种结构示意图。如图9所示，光纤301包括实芯光纤和空芯光纤，其中，实芯光纤与空芯光纤串联，空气孔位于空芯光纤上。作为一个示例，空气孔可以位于空芯光纤与实芯光纤连接的端面处。以图9为例，探测信号沿着实芯光纤301a传输至空芯光纤301b，空芯光纤301b与实芯光纤301c连接的端面处设有空气孔302a。经过空气孔302a的探测信号还将沿着实芯光纤301c传输至空芯光纤301d，空芯光纤301d与实芯光纤301e连接的端面处设有空气孔302b，以此类推。应理解，本实施方式中的实芯光纤的类型包括但不限于多模光纤、单模光纤和多芯光纤。本实施方式中的空芯光纤的类型包括但不限于反谐振空芯光纤、空芯光子带隙光纤和中空光纤。需要说明的是，由于实芯光纤相对于空芯光纤成本更低，本实施方式可以只在临近待测区域的一段采用空芯光纤，其他区域都采用实芯光纤，可以有效节省成本。

综合以上描述，本申请提供了一种基于光纤传感的分布式气体浓度检测设备，可以将光纤延伸出去贴近待测区域(如油气管道)部署。其中，光纤上可以开设一个或多个空气孔，以便于气体自由扩散进入光纤。具体地，气体浓度检测设备中的信号发射装置用于向光纤输出探测信号，该探测信号包括泵浦光，泵浦光被待测气体吸收会产生折射率变化，从而引起回波信号的强度变化和相位变化。该泵浦光的波长周期性调谐且泵浦光具有振荡频率。信号处理装置接收探测信号在空气孔处被反射的回波信号，先根据所述回波信号确定振荡频率的幅值，再根据振荡频率的幅值确定待测气体的浓度。通过上述描述，光纤上每一个空气孔的位置都可以作为气体传感器，所有气体传感器共用一套信号发射装置和信号处理装置，系统结构更简单，便于实现多点部署和监测。并且，信号发射装置和信号处理装置可以放置在远端机房中，远离待测区域，安全性更好。

上面对本申请提供的气体浓度检测设备进行了介绍，下面对本申请提供的气体浓度的检测方法进行介绍。

图10为本申请中气体浓度的检测方法的一个实施例示意图。需要说明的是，该气体浓度的检测方法是基于上述图2、图4、图7、图8和图9任意实施方式介绍的气体浓度检测设备来实现的。关于气体浓度检测设备的结构可以参考上述图2、图4、图7、图8和图9所示实施例的相关描述，此处不再赘述。在该示例中，气体浓度的检测方法包括如下步骤。

1001、向光纤输出探测信号。

本实施例中，探测信号包括泵浦光。作为一个示例，探测信号包括耦合进光纤的一路是泵浦光和一路脉冲探测光。作为另一个示例，探测信号包括根据泵浦光生成的脉冲探测光，该脉冲探测光耦合进光纤。需要说明的是，泵浦光的波长周期性调谐，且泵浦光具有振荡频率。关于探测信号和泵浦光的详细介绍可以参考上述气体浓度检测设备的各实施例的相关描述，具体此处不再赘述。

1002、接收探测信号在空气孔处被反射的回波信号。

光纤上设置有至少一个空气孔，如果有待测气体通过空气孔进入光纤，探测信号会在空气孔处发生反射，反射回来的信号可称之为回波信号。其中，空气孔可以通过激光、机械或化学腐蚀在空芯光纤包层打孔得到。每相邻两个空气孔之间可以是等间距的，也可以是非等间距的。

1003、根据回波信号确定振荡频率的幅值，并根据振荡频率的幅值确定待测气体的浓度。

由于泵浦光被待测气体吸收会产生折射率变化，从而引起回波信号的强度变化和相位变化。那么，可以先解调出回波信号的相位，或者检测出回波信号的强度。进而，根据回波信号的相位或回波信号的强度解调出泵浦光的振荡频率，并确定该振荡频率的幅值。由于振荡频率的幅值与气体浓度成正比，即可确定待测气体的浓度。需要说明的是，关于根据回波信号确定待测气体浓度的详细介绍可以参考上述气体浓度检测设备的各实施例的相关描述，具体此处不再赘述。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。