光梳光谱技术在六氟化硫分解产物检测中的应用_刘婷婷.pdf

第 卷，第期 光谱学与光谱分析 ，年月 ，光梳光谱技术在六氟化硫分解产物检测中的应用刘婷婷，沈旭玲，任心仪，温兆阳，闫明，曾和平，华东师范大学，精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 华东师范大学重庆研究院，精密光学重庆市重点实验室，重庆 摘要随着电力系统向高压、大容量、信息技术应用等方向发展，电力设备的高效运维对于保障电力系统安全运行和经济平稳增长具有重大意义。对六氟化硫气体分解产物的检测是电气绝缘设备检漏及判断故障类型的有效手段。基于光学频率梳的双光梳光谱检测技术具有高分辨、高精度、宽光谱、高速动态等优势，有望在电力设备漏气故障检修中，为判断特征气体种类及定量分析提供可靠手段。搭建了基于两台集成掺铒光纤光梳的双光梳光谱检测装置。通过精密频率控制及精细温控，光梳重复频率抖动从 降低至 ，光梳梳齿稳定度控制在 。装置具有长时间稳定和小型化集成的特点，对外界环境干扰免疫性强，在室外环境运行两小时，光梳的重复频率及载波包络相位信号仍能保持相位锁定，两台光梳相干性无明显劣化。在光谱检测方面，结合使用超灵敏多通气室，对 与 混气进行了测量，在 量级时间内实现了 波段内 和 吸收峰的同时成谱检测，光谱分辨率达。分别以 和 在 、和 、的特征吸收峰为例，通过洛伦兹数据拟合反演出相应分子数密度。和 的气体分子数密度的多峰测量不确定度分别为 与 ，较单峰测量结果（）降低了近个量级。该研究推进了双光梳光谱技术及系统在电力设备漏气故障特征气体非接触实时检测中的应用。传统接触式检测存在检测气体种类单一、积分时间长、难以做到长期在线实时监测的缺点，而双光梳光谱检测能够在 量级对多组分气体的多峰非接触式同时成谱检测，在缩短检测时间的同时提高了检测精度，为电力设备漏气故障的及时排查及故障类型的诊断提供了有效途径。关键词光学频率梳；双光梳光谱；特征气体检测中图分类号：文献标识码：（）收稿日期：，修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）资助作者简介：刘婷婷，女，年生，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室博士研究生 ：通讯作者 ：引言特高压输变电设备属于 中国制造 中明确提出的“电力装备”重点领域。目前，我国电力系统正在向高压、泛在等方面发展，电力设备的稳定运行对于保障人民日常生活和促进经济持续增长具有重大意义。气体绝缘电器设备中不可避免存在的绝缘缺陷会引起六氟化硫（）气体发生分解，在微氧和微水等杂质作用下，生成 ，和等多种特征气体。在实际检修环境中，分解物的组分及浓度各有不同，准确鉴别气体种类及含量是提高设备故障诊断效率的关键。目前电力设备中 分解产物的检测方法主要有电子感应法、气相色谱法、光声光谱法、傅里叶变换红外光谱法等。其中，光谱检测方法具有非接触式、实时、动态范围大等优势。但是常用的光谱技术，如光声光谱法，易受气体吸收峰交叉干扰的影响，检测气体种类单一，难以实现多组分或多吸收峰的同时快速测量。傅里叶变换红外光谱法可以实现宽谱检测，但测量时间长，且光谱分辨率低，不利于实时检测和定量分析。光学频率梳（简称“光梳”）为光谱技术领域带来了新的契机。光梳在时域上表现为具有飞秒量级时间宽度的脉冲串，而在频域上则对应间隔相等的纵模序列。当重复 频率（）及载波包络相位信号（）均溯源至微波频率基准后，光梳每根谱线均具有 量级的线宽，为精密光谱测量提供了强大的光源。基于光梳的光谱测量技术，特别是双光梳光谱技术（，），可以在几十甚至上百纳米的宽谱范围内同时测谱，极大地提高了精度与分辨率，缩短了测量时间，并且使系统摆脱了对机械物理与色散元件的依赖。年，等提出了一种采用脉冲相位调制法等效降低光梳重复频率的方案，解决了光梳重复频率对 分辨率的限制，实现了 的光谱分辨率。年，清华大学张伟鹏等率先在腔增强 中采用自适应的方法来提高测量带宽和分辨率，将噪声等效吸收优化至 。此外，光梳光谱的测量范围也逐渐被拓展至紫外至远红外波段。凭借光梳光谱技术高分辨、高精度、宽光谱、高速动态等优势，其在大气遥感、痕量分析、呼吸医学诊断等方面展现了巨大的应用前景 。然而，面向实际应用，光梳光谱仍面临集成化、长期稳定等方面的挑战。年，美国国家标准局（）的 等利用成熟的光纤器件及技术，首次报道了基于车载 系统的大气遥感实验。鉴于 对光梳时频噪声及相干性的严苛要求 ，其应用研究进展相对缓慢。年，张静等利用近红外超连续谱光梳对，的混气进行了测量，验证了光梳的宽谱特性在电力设备特征气体检测中的优势。但其光谱检测仍依赖于传统的傅里叶变换光谱仪，光梳光谱在谱分辨率、实时性等方面的优势未被充分利用。目前，基于高集成度 的电网故障特征气体检测系统尚无报道。利用光梳光谱技术的优势，搭建了基于两台独立运转集成化光梳的双光梳光谱检测装置。将两台光梳参考至同一铷钟后，两台光梳的信号抖动量均降低至 量级，信号抖动量降低至 量级。通过精细温控、长期稳定控制和小型化集成开发，装置可在室外连续稳定工作数小时，且相干性无明显劣化。系统结合多通气室对 及 的多条吸收峰进行了快速测量，测量时间仅 。通过数据拟合反演出气体分子密度，不确定度分别为 与 ，有望 为 电 力 设 备 实 时 检 漏 及 故 障 诊 断 提 供 可 靠手段。原理双光梳光谱检测装置包括两台及 信号均锁定的光梳（信号光梳 ，参考光梳 ），其原理如图所示。信号光梳梳齿频率间隔为，第根梳齿频率为，；参考光梳梳齿频率间隔为，第根梳齿频率为，。两者拍频产生光外差信号，拍频信号频率为 ，其中，。依此类推，第（）根梳齿拍频为（）。因此，拍频信号的梳齿间隔为 。本工作中，即可在 内获得分辨率高达皮米（）的分子光谱。当信号光梳的输出光入射至气体池中，因气体分子吸收光能量效应，探测光的强度与相位会被调制。根据朗伯比尔吸收定律，可以通过测量给定吸收路径上分子的吸收来鉴别分子及其浓度。当一束频率为的光通过样品池，其透射光强可以表示为（）（）（）（）式（）中，（）为透射光强；（）为入射光强；为玻尔兹曼常数，取 ；为气体分子数密度，单位图双光梳光谱技术原理图 光谱学与光谱分析第 卷为 ；为探测光束在样品气体中的有效光程，单位为；吸收谱线强度为（）（）将式（）代入式（）中，对式（）作等式变换并求自然对数，经整理可得到朗伯比尔吸收定律的等价形式（）（）（）式（）中，为 样 品 气 体 的 积 分 光 谱 吸 收 系 数，量 纲 为。结合上式来看，为了测得气体分子数密度，首先需要测得气体分子的吸收谱线。实验部分图（）为光梳内部结构图，包括：基于非线性偏振旋转锁模的谐振腔、掺铒光纤放大器（）、超连续谱展宽、自参 考 拍 频 探 测 及 锁 相 环。谐 振 腔 由 一 个 复 合 器 件（）、电控偏振控制器（）、掺铒增益光纤（）及压电陶瓷（）构成。激光二极管（）产生 的泵浦光，经波分复用器（）耦合至 中，产生的 激光在腔内传输。之后，旋转入射激光的偏振态，配合使用偏振相关隔离器，即可调整不同波长光的损耗，实现锁模。:的光分束器（）作为谐振腔的输出端，将 的种子激光输至 中。利用 对种子脉冲进行功率放大，可将单脉冲能量由 提升至 。放大后的激光脉冲经过:的光分束器（）分为两路，其中 的激光用于激发超连续谱，剩余 的激光则再次被:的光分束器（）分为两路，的激光作为光梳输出，而 的激光则被高速光电探测器（）捕获，作为输入信号用于重复频率的锁定。输出的高功率超短脉冲泵浦 的保偏高非线性光纤，其非线性系数为 ，可获得覆盖 的超连续谱。将超连续谱注入自参考拍频探测模块，超连续谱中 附近的光倍频至 附近，与超连续谱中原有的 进行拍频，即可得到 信号，作为输入信号用于后续的频率锁定。在获得及 信号后，光梳运用了两套高精度锁相环（，）分别将与 与微波参考源的误差信号反馈至谐振腔内的 及 上，以此实现两者的同时锁定。图（）中的两台光梳内部结构均如图（）所示，两台光梳内部的锁相环均溯源至同一个铷钟频率（稳定度：）上。信号光梳的输出光耦合至多通气体池内，气体池内充有，与的混气。激光与气体分子接触后，其光谱会被调制。之后，通过:的光分束器，将两台光梳的输出光合束。为提升拍频信号的信噪比，在合束器后设置了带通滤波器（）滤除杂散光。最后，由 捕捉到两台光梳之间的拍频信号。该拍频信号在频域上每根梳齿的频率均与光频率一一对应。经过傅里叶变换及信号处理后，即可获得气体分子的特征吸收峰数据。图（）光梳内部结构图；（）双光梳光谱探测光路图 （）；（）结果与讨论为提高测量的分辨率，保持拍频梳齿的相对稳定尤为重要，因此，需要对两台光梳的及 信号同时锁定。结合图（），我们采用 及 分别作为及 信号的锁相元件。其中，腔内光纤附着在 的表面，的伸缩量根据外加电压而改变，从而控制谐振腔的腔长，实现信号的锁定。而 信号的控制较为复杂，其频率与泵光、温度、振动等均有关。其中，泵光对其控制较为线性，响应速度快、控制范围大，所以选择通过调制泵光大小来实现 信号的锁定。为减少光纤热胀冷缩引起的梳齿漂移，同时强化光梳的环境免疫性，在光梳外围加了两级精细温控系统，用于光梳核心敏感器件的恒温控制。信号光梳的，与 ，锁定情况分别如图（）和（）所示。从图（）中可以看出，信号在未锁定时，两小时内的自由漂移量为 。所用 行程为，对，信号的最大控制范围为 ，足以补偿，信号的自由漂移量。利用锁相环对，信号反馈控制后，其频率抖动量的标准差降低至 。另一方面，将 ，信号频率与 微波频率作比较，误差信号反馈调制 的电流，即可将 ，信号频率锁定在 。电流对 ，的频率线性调制能力为 ，反馈带宽 左右。锁定后，信号频率抖动降低 至 。信 号 光 梳 梳 齿 稳 定 性 为（）。同样地，对参考光梳的，及 ，信号进行锁 定，可将两者频率抖动量标准差分别降低 至 第期刘婷婷等：光梳光谱技术在六氟化硫分解产物检测中的应用 及 ，锁定结果如图（）和（）所示，参考光梳稳定性为 。光梳采用全保偏光纤结构，经过小型集成化设计，可集成于 的空间内。两台光梳均可在室外长时间连续稳定运行且相干性无明显劣化，为实时电力设备检漏提供了保障。图，信号（）、，信号（）、，信号（）与 ，信号（）的锁定频率计数图 ，（），（），（），（）根据朗伯比尔吸收定律，气体分子对光的吸收强度与气体浓度及光程长度成正比。和 气体在近红外波段的吸收强度较低，为获得高灵敏度的气体吸收谱探测，增加光与气体相互作用长度尤为重要。故运用了一个多通长光程气体池，将相互作用长度延长至，有利于极低浓度的气体探测。多通长光程气体池结构如图所示。图（）多通长光程气体池结构图；（）反射面上光斑位置示意图 （）；（）图（）中显示，多通长光程气体池由两面反射率大于 的高反镜组成。信号光梳在两个反射镜之间来回反射 次，图（）为反射镜面上的光斑位置示意图。每经过一次反射，光斑旋转一定角度，当总反射次数乘以连续反射之间的角度为 整数倍时，光束可从气体池中出射。为验证系统的光谱检测特性，我们对 与 的混气进行了测量。混合气体总压力约为 ，测试环境温度为 。图列举了 和 分别在 、和 、处的光谱测量结果，其光谱分辨率为（或 ）。与 的光子能量与 的分子能级差相匹配。分子能级间的跃迁会吸收相 应 光 能 量，导 致 光 强 降 低。在 光 谱 上，就 会 出 现 与 特征吸收峰。激光经过 气体，在 与 处形成相应特征吸收峰。对测得的梳齿峰值进行提取，除去谱线背景，即可得到 和 特征吸收峰的归一化透射谱曲线（图中黑色散点）。由于实验中存在许多随机误差的干扰，测得的特征吸收峰光谱含有图（）在 与 处的特征吸收峰拟合；（）在 与 处的特征吸收峰拟合黑色散点为实测数据，蓝色实线为洛伦兹拟合数据 （）；（）光谱学与光谱分析第 卷较大误差扰动。因此，为能更精确地计算出气体分子数密度，需要对实验数据进行洛伦兹拟合。图展示了拟合结果（蓝色实线）。在得到拟合数据后，结合式（）与式（），即可反演出 与 的气体分子数密度，相关参数及反演结果由表列出。需要说明的是，这里仅列举了组气体分子数密度反演结果，实际在 波段范围内，共测量了约 条 吸收谱线，条 吸收谱线，可以实现宽