一种基于拉曼光谱的SF6分解气体检测增强系统

本发明属于电力设备故障诊断检测领域，涉及一种基于拉曼光谱的SF

背景技术

随着我国经济和国民生活质量的稳步提升，智能化电网的规模也在逐步扩大，因此，对电网的供电质量和安全可靠运行的要求也越来越高。以SF

目前电力行业对SF

现有的技术方案能够通过一定的方法对变压器油的分解产物进行初步检测，但是气相色谱法易受到温度等环境因素的干扰，对检测的结果会产生一定的影响，而红外光谱法的光源强度较弱，测量精度较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于拉曼光谱的SF

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于拉曼光谱的SF

该系统包括：拉曼光谱发射和接收模块、光信号采集模块、光信号处理模块、数据处理模块和上位机；

该拉曼光谱发射和接收模块包括探头阵列、电磁波发射驱动电路和光信号回波处理电路；

该光信号采集模块包括信号放大电路和滤波电路；

该光信号处理模块包括光信号去噪通道、光信号腔增强通道和频率锁相回路；

该数据处理模块包括数模转换电路、运算放大电路和基本存储电路；

该拉曼光谱发射和接收模块与光信号采集模块信号连接；该光信号采集模块与光信号处理模块信号连接；该光信号处理模块与数据处理模块信号连接；该数据处理模块与上位机信号连接；

该探头阵列分别与电磁波发射驱动电路和光信号回波处理电路信号连接；

该信号放大电路分别与滤波电路、电磁波发射驱动电路和光信号回波处理电路信号连接；

该滤波电路与光信号去噪通道信号连接；

该光信号去噪通道与光信号腔增强通道信号连接；

该光信号腔增强通道与频率锁相回路信号连接；

该频率锁相回路与数模转换电路信号连接；

该数模转换电路与运算放大电路信号连接；

该运算放大电路与基本存储电路信号连接。

可选地，拉曼光谱发射接受模块实现对拉曼光谱电压信号的发射与回收，具体为：

发射驱动电路产生不同频率的方波脉冲信号并驱动探头阵列发射出电磁波信号，探头阵列相互转换电磁波和光谱信号，回波处理电路将光谱信号进行初步的过滤、放大处理后再传入光信号采集模块。

可选地，光信号采集模块实现对光回波信号的采集及处理，具体为：

信号放大电路对探头阵列传输回来的信号进行放大，滤波电路对回波中各种其他频率的干扰信号进行滤除，获得准确的光信号模拟量后传输至光信号处理模块。

可选地，光信号处理模块首先通过光谱信号去噪通道实现对经过光信号采集模块处理过的光谱信号进行噪声消除，然后通过光信号腔增强通道提高拉曼散射光信号的强度之后进入频率锁相回路，根据频率锁相回路设置对增强后的光谱信号进行距离与相位偏差判断并输出光谱控制模拟信号至数据处理模块。

可选地，数据处理模块通过数模转换电路将光谱模拟量转化为数字信号，将数字信号传输到运算放大电路进行放大运算处理并存储到基本存储电路。

可选地，上位机模块用于实现指令操作、参数设置、实时监控数据变化、光谱图显示以及与嵌入式系统的数据交互功能。

可选地，光反馈的定义为注入光学谐振腔的激光在延迟时间后返回到激光器；

光反馈频率锁定是指主激光器发出的激光注入到激光器中，主激光器的频率和相位会复制到从激光器；

该锁定具体步骤为：

S1、首先将激光源提供的激光辐射注入到高精细度的Fabry-Perot腔，筛选出频率与谐振腔频率完全相同的激光辐射，腔输出激光束将会反馈到激光源；

S2、根据光注入锁定，将频率与谐振频率完全相同的主激光器输出的激光复制到从激光器；

S3、最后，在构造性干涉的作用下，腔内产生激光功率；

在光反馈频率锁定条件下，激光器耦合输出激光频率表示为：

其中，ω

可选地，光反馈频率锁定腔增强的步骤具体为：

设构成F-P腔的平行镜片M1和M2之间的距离为L，M1的反射系数为

设一束频率为ω、波矢量为k＝ω/c＝2π/λ、电场矢量为Ein的光入射到M1上，部分光透射到M2上，其余光被M1反射；投射到M2的光又会部分反射回M1，其余被透射出谐振腔；反射到M1的光部分被反射回M2，其余透射出谐振腔；

光波在腔内传播时会产生相移，多个反射光束之间干涉相长，形成腔内激光功率增加；令

其中，φ＝-2ωL/C，透射光强度I

设

本发明的有益效果在于：光反馈频率腔增强检测技术能够完成对3种不同频率的光谱信号进行接收，完成对光谱信号的采集，通过对采集到的光谱信号的噪声处理获取光谱的频速及衰减系数参量，采用光反馈频率锁定腔增强技术提高气体拉曼散射强度，拉曼增强倍数实验值达到150倍以上。在最大程度上避免外部环境对检测结果的干扰，确认各气体的拉曼特征频移谱线，计算各气体的最小检测极限，相比于现有技术节省了实验时间及实验成本。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为光反馈频率锁定腔增强的系统图；

图2为光反馈频率锁定腔增强的检测系统流程图；

图3为谐振腔多光束干涉原理图；

图4为谐振腔多光束干涉原理图；

图5为腔输出信号。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图5，为一种基于拉曼光谱的SF

拉曼光谱光反馈频率锁定腔增强原理为：

腔增强技术通过多次折反射形成干涉来同时提高作用路径及激光作用功率进而提高拉曼散射强度，以此提高气体最小检测极限，实现对微量气体的检测。为了实现干涉，增强腔腔长需等于输出激光源的半波长的整数倍，即输出频率需稳定锁定增强腔的谐振频率。本专利将在腔增强原理和频率锁定原理的基础之上，研究光反馈频率锁定腔增强拉曼光谱的检测SF

腔增强及频率锁定原理

注入光学谐振腔的激光在延迟一定时间后返回到激光器的现象称为光反馈。光反馈频率锁定是基于注入锁定的一种频率锁定技术。注入锁定的基本原理是主激光器发出的激光注入到激光器中，主激光器的频率和相位会复制到从激光器中。

假设构成F-P腔的平行镜片M1和M2之间的距离为L，M1的反射系数为

其中，φ＝-2ωL/C，透射光强度I

公式2中，当

在实际情况下，由于温度、机械波等的影响，腔长会发生细微变化，构造性干涉条件很难长时间维持，因此需要一定的频率锁定技术来维持。

注入光学谐振腔的激光在延迟一定时间后返回到激光器的现象称为光反馈。光反馈频率锁定是基于注入锁定的一种频率锁定技术。注入锁定的基本原理是主激光器发出的激光注入到激光器中，主激光器的频率和相位会复制到从激光器中。

原理如图4所示：首先将激光源提供的激光辐射注入到高精细度的Fabry-Perot腔。只有频率与谐振腔频率完全相同的激光辐射才能建立并存在于谐振腔中。腔输出激光束将会反馈到激光源。根据光注入锁定，将频率与谐振频率完全相同的主激光器输出的激光复制到从激光器(激光源)。最后，在构造性干涉的作用下，腔内会产生巨大的激光功率。

在光反馈频率锁定条件下，激光器耦合输出激光频率可表示为：

其中，ω

如图1和2所示，系统工作时，首先拉曼光谱电磁波发射驱动电路产生不同频率的电磁波信号，分别激励发射探头阵列发射多个不同频率的超声波电磁波信号通过SF

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。