基于光学调频连续波的气体光谱检测技术研究进展

娄秀涛,王玥,卢辉辉,董永康*

(1 哈尔滨工业大学物理学院,黑龙江 哈尔滨 150001;2 哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

对气体的有效探测在环境监测、工业控制、生物医疗和航空航天等许多领域都具有重要意义[1-5]。相比于化学方法,光学方法特别是激光光谱方法具有非接触、响应速度快、选择性好和测量范围大等优点,是气体检测技术的重要发展方向和研究热点。其中,激光吸收光谱(LAS)技术由于具有高定量和操作便捷的优势而成为目前最为广泛使用的激光光谱气体检测技术[4,6]。LAS 技术的研究方向主要集中在技术指标的提升与新应用的开发,其中所提升的技术指标主要包括灵敏度、响应速度、选择性、准确度、覆盖范围、动态范围等。本课题组最近探索将调频连续波(FMCW)技术引入到LAS 中,发展新型的气体光谱检测技术来提升LAS 在测量准确度、覆盖范围和动态范围等方面的技术指标。

FMCW 技术在半个世纪前被广泛应用于电子雷达侦测[7],于上世纪80 年代初被引入光学领域[8],成功用于测距、测速和三维成像等高精度光学测量应用中[9-11]。特别地,光学FMCW 技术在光纤传感领域也被称为光频域反射(OFDR)技术[12,13]。光学FMCW 的基本原理可以简单描述为:一束扫频的窄线宽连续激光被分为两路,两路光经历不同的路径再汇合后会产生干涉,由生成的拍频信号频率或相位可以得到两路的光程差。传统上,光学FMCW 利用不同路径光程差的测量能力来实现目标的定位与成像等,与脉冲式激光雷达相比具有高空间分辨的优势。事实上,当光学FMCW 系统的扫频激光经过的路径存在气体时,所探测到光学信号中不可避免地包含了光学路径中的气体吸收光谱信息。因此,光学FMCW技术除了具有空间定位能力外,还天然具备实施气体光谱分析的潜力。

最近,本课题组在充分利用光学FMCW 精确定位能力的同时,成功实现了光学FMCW 信号中吸收光谱信息的挖掘。本文在简单回顾相关研究背景后,重点介绍本课题组最近采用光学FMCW 气体光谱检测技术开展的多通池内气体吸收光谱和光程同步测量、多点式气体检测和大动态范围气体检测三个方面的研究进展。

1 光学FMCW 气体光谱检测原理

光学FMCW 气体光谱检测系统采用干涉仪结构对不同点位的光信号进行定位,其装置结构和基本原理如图1 所示。激光光源采用线性调频的窄线宽高相干光,其分为两路,一路作为参考光,另一路作为探测光进入气体传感区。探测光路中后向回光与参考光发生干涉产生拍频信号,由光电探测器接收。探测光路中不同位置的后向回光有不同的延迟时间τ,而激光频率以恒定调频速率β 随着时间线性变化,因而探测光路不同位置的拍频信号频率与延迟时间τ 成正比,由此可以根据拍频频率大小来对探测光路不同位置进行定位,实现频分复用。

图1 光学FMCW 的系统结构和基本原理Fig.1 System structure and basic principle of optical FMCW

激光器输出的光波电场强度可表示为

式中:E0为电场强度的初始振幅,φ(t)为光场相位,相位变化率为光的角频率。设光的初始角频率为ω0,激光的角频率调谐速率γ=2πβ,则输出光的瞬时角频率为ω(t)=ω0+γt,由此可得输出光的相位表达式

式中:φ0为光的初始相位。探测光(P)和参考光(R)干涉产生的拍频信号被光电探测器接收,生成的光电流信号为

式中:σ 为光电转换效率;r为包含探测光路中回光收集效率以及光路损耗的常数;常数项C=σr;I为光强,其与电场强度存在的关系。(3)式中加号前后分别对应直流项和交流项,可通过选用交流探测器只接收感兴趣的交流信号。将相位表达式(2)代入(3)式,同时考虑到γτ2/2 项很小可以忽略,最终采集得到的交流信号可表示为

根据Beer-Lambert 定律,光经过气体吸收后的光强变化与气体吸收系数和吸收光程有关,透射光谱函数可表示为

式中:吸收系数α(ω)是光角频率的函数,吸收光程L(τ)与延迟时间有关。一般情况下,探测光路中存在多处反射回光,不同反射点的光时间延迟不同,经历的气体吸收幅度不同,探测到的总电流信号可表示为

式中:m对应探测光路上不同的反射点,M为反射点数目。对采集到的电流信号进行傅里叶变换,将信号从频域(光谱域)转换成时域(空间域),即可将不同空间位置的反射点信号区分开来,可表示为

式中:ω0为扫频激光的中心角频率,Δω 为激光扫描的角频率范围。为了将透射函数项单独分离出来,(7)式中引入了系数S。由于正负时域的系数存在关系,为简化数据处理过程,只需考虑正时域系数,其表达式为

式中:Δν=Δω/2π 为光的扫描频率范围。sinc 函数决定了FMCW 系统时域分辨率Δτ=1/Δν,对应的空间分辨率Δl=c/(2nΔν),其中c为真空中的光速,n为光纤的群折射率。当τ=τm时,达到峰值,对应着不同反射点的位置。因此,在这里起到选择器的作用,可以将不同位置的透射函数Tm区分开来。通过对(7)式中的每个反射峰信号实施逆傅里叶变换,可以得到

由此可进一步求得相应反射点的透射谱

在实际应用中,式中Cm、IR、IP一般依赖于光的角频率ω,但该问题可通过背景校正和基线拟合的方式来解决。反演获得的透射光谱的光谱分辨率ΔνR=c/(2ndW),其中dW为空间域选取数据点的窗口宽度。

2 多通池内气体吸收光谱和吸收光程同步测量

多通池在气体吸收光谱领域被广泛使用,用于延长吸收光程,从而提高测量灵敏度[4,14],其中最常用的是White 型和Herriott 型多通池[15,16]。为满足不同应用需求,人们开发出不同类型的多通池,例如可实现长光程的光学矩阵型多通池[17,18]、大光程体积比的稠密图案型多通池[19-21]以及高度紧凑的小体积环形多通池[22-24]等。

对于定量气体检测而言,必须精确测定吸收光谱和吸收光程。传统上,吸收光程独立于吸收光谱单独预先测定,通常采用机械测量法[25]、气体吸收光谱法[26]、相移测距法[20]、干涉计量法[27]等。机械测量法使用尺子测出多通池的基长,再乘以反射次数得到总的光程长度,这种传统方法操作简单,但精度不高。气体吸收光谱法在已知长度的参考气池和待测多通池中通入相同的已知气体,通过对比二者的吸收光谱来获得多通池的吸收光程,可以获得比机械测量法更高的测量精度。2014 年,Nwaboh 等[26]采用气体吸收光谱法测量了光程长21 m 的White 型多通池,测量不确定度4 cm,相对不确定度0.2%。相移测距法是通过对激光强度进行调制,比较进入多通池前后的调制光的相位差来获得多通池内的吸收光程,具有较高的测量精度。2011 年,Das 等[20]用相移法测量了稠密图案型多通池的光程长度,测量结果为50.31 m,不确定度3 cm(相对不确定度0.06%),并与主流的吸光度法做了对比。所采用的装置如图2 所示。干涉计量法采用迈克尔逊干涉或马赫-增德尔干涉结构来实施光程测量,可以获得更高的精度。2016 年,天津大学杜振辉课题组[28]采用商用OFDR 装置测量了光程长16 m 的White 型多通池的光程,测量结果的相对不确定度低至0.0085%(mm 级精度),并与主流的吸光度法做了对比,所采用的实验装置和实验结果如图3 所示。

图2 相移法测量多通池的装置图[20]Fig.2 Experimental setup for measuring multipass cell’s pathlength using phase-shift methods[20]

图3 (a)用OFDR 测量多通池光程的实验装置;(b)OFDR 测量信号;(c)用吸光度法测量多通池光程的实验装置[28]Fig.3 (a)Experiment setup for measuring the multipass cell’s optical pathlength by OFDR;(b)OFDR measurement signals;(c)Experimental setup using absorbance methods[28]

在上面所介绍的研究工作中,多通池的光程都是在使用前预先测得的。然而,在复杂工业环境中,多通池机械结构变化会导致吸收光程变化,采用预校准的吸收光程难以保证气体检测系统长期运行的准确性。最近,本课题组采用光学FMCW 技术探索实现了多通池内气体吸收光谱和吸收光程的同步测量[29],实验装置如图4 所示,它由四部分组成:可调谐激光源,测量干涉仪,辅助干涉仪和数据采集单元。可调谐光源(TLS)的平均输出功率为10 mW,线宽约100 kHz,其以10 nm/s 的调谐速率从1518 nm 扫描至1522 nm(6571～6588 cm-1),覆盖乙炔气体ν1+ν2谱带的若干吸收线。测量干涉仪基于马赫-增德尔结构,大部分激光功率被分配到探测臂,并通过环行器导入充装1×10-4体积比的乙炔样品气体的White 型多通池。探测臂中包含多通池内部多反射点在内的后向回光信号与参考光信号产生干涉,被平衡探测器(BPD)接收后由数据采集卡采集。辅助干涉仪采用迈克尔逊干涉结构,其产生的拍频信号为数据采集提供采样时钟,数据采集由等时间间隔采样转为等频率间隔采样,可有效矫正激光扫频的非线性。

图4 基于光学FMCW 同步测量多通池中气体吸收光谱和吸收光程的实验装置[29]Fig.4 Schematic diagram of the optical FMCW-based experimental configuration for simultaneous measurement of gas absorption spectra and optical pathlengths in a multipass cell[29]

图5 展示了将频率(光谱)域中记录的拍频信号转换为时域(空间域)信号的傅里叶变换结果,及输出面反射峰的逆傅里叶变换结果。从图5(a)中可以看出,探测臂的各个反射峰位均可明确识别,较强的反射峰主要来自环形器(Cir)、光纤连接器(Con)、多通池输入端1 mm 厚密封窗的外表面和内表面(I1 和I2)、输出端密封窗口的内表面(O);另外还能够清楚看到具有几乎均匀间隔的次峰,其源自多通池中3个凹面镜的27 次反射。根据主峰I2 和O 可得到多通池的透射吸收光程为11.2486 m,根据各个反射峰的半宽度可评估出光程测量分辨率0.29 mm,与理论计算值一致。以反射O 点为中心选择800 个数据点(对应0.23 m 的空间范围)作逆傅里叶变换,得到两倍多通池吸收光程的乙炔气体透射信号[图5(b)],光谱分辨率为5 pm(4 nm/800)或0.02 cm-1。

从图5 可以看出,光谱域信号存在与光频相关的光学背景。这个背景可以通过建立基于多项式的基线模型来拟合修正,基线归一化后的气体透射光谱如图6 所示。为了比较,图6 同时给出了基于HITRAN数据库的仿真结果。对比显示,实验数据和仿真结果之间的残差水平很低,验证了光学FMCW 方法在精确测量气体吸收光谱方面的有效性。根据残差的标准偏差,最小可探测吸收为0.01,对应的乙炔气体检测下限为5×10-6体积比。

图6 实验测得的1×10-4 体积比的乙炔气体透射光谱和HITRAN 数据库的仿真谱[29]Fig.6 Experimental transmission spectrum of 1×10-4 acetylene and the simulated spectrum based on the HITRAN database[29]

3 多点气体光谱检测

多点气体检测在天然气管道泄漏检测[30]、填埋场气体排放监测[31]、地下综合管廊气体监测[32]等多种应用中具有重要意义。在这些应用场景中,需要在大范围实现气体的定量检测和精确定位。目前,现场气体检测大多使用低成本的化学传感器[33,34]。尽管LAS 传感器具有高特异性、高速响应和本质安全的优点,但单个LAS 传感器的成本相对较高,因而在多点气体检测应用中竞争力较弱。

若要提高LAS 系统在多点气体检测应用中的经济性和竞争力,则必须实施复用技术以共享激光源和探测器等高成本的光学器件。目前被提出用于LAS 气体检测的典型复用方案主要包括四种:空分复用[31,35]、时分复用[36,37]、波分复用[38,39]和频分复用[40,41]。在空分复用系统中,激光波长与在单点检测系统中一样通过扫描以获得气体吸收光谱,而激光被分配引导至多个独立的气体传感路径中,并通过多个分离的探测器来区分定位不同的传感器。2008 年,Culshaw 和Kersey 报道了在总面积为15 km2的垃圾填埋场上安装LAS 甲烷浓度监测系统的方案[31],系统包含60 个空分复用检测点,气体浓度检测范围从0.01%至100%,监测网络的布局如图7 所示。

图7 安装了含60 个空分复用检测点的LAS 甲烷浓度监测系统的垃圾填埋场布局图[31]Fig.7 Partial map of a trial landfill site with installed multiplexed 60-point LAS methane concentration monitoring system[31]

在时分复用系统中,使用波长扫描的脉冲激光源,并根据透射或反射光脉冲的不同时间延迟区分和定位不同的气体传感器,该系统对实现高空间分辨率的要求很高(例如,亚米的空间分辨率需要小于10 ns 的激光脉冲宽度和GHz 级的采样率)。2019 年,Floridia 等[37]采用时分复用系统对天然气传输路径中气体压缩站的两个点位的气体泄漏实施了四个月的监测测试,监测到两个点位的气体浓度变化范围分别为1.5%～15%和5%～30%,并研究了风速对测量结果的影响,系统装置如图8 所示。

图8 采用时分复用方案监测多点甲烷泄漏的系统装置[37]Fig.8 System for monitoring multiple-point methane fugitive emissions using time division multiplexing scheme[37]

波分复用技术通常与光纤布拉格光栅结合使用,不同传感点的波长与目标气体的不同吸收线匹配,每个传感点的气体浓度根据光谱仪获得的低分辨吸收光谱确定[38,39],该系统可复用传感器的数量受到气体可用吸收线的限制。在频分复用系统中,对激光强度实施周期调制,同时对强度调制频率进行扫描[40],通过每个气体传感点的特定拍频频率对其进行定位,而气体吸收信号通过进一步扫描激光波长获得。

综合分析现有的多点气体光谱检测的主流复用技术,它们都采用至少两种独立的技术和相应的设备来实现传感点的定位和光谱分析。最近,提出并验证了一种基于光学FMCW 的多点气体光谱检测方法[42],实验装置如图9 所示,它由四部分组成:可调谐激光源、包含多点气体传感器的测量干涉仪、辅助干涉仪和数据采集单元。在演示实验中,选择乙炔作为样品气体,传感点采用总线结构布局。利用FMCW 技术测量了三个传感点,吸收光程分别为29.41、28.96、29.25 cm。第一和第三个传感点气池分别填充0.187%和0.925%体积比的乙炔气体,第二个传感点气池充入氮气。采用的可调谐光源的输出功率为5 mW,线宽约100 kHz,其以40 nm/s 的调谐速率在1519.78～1520.38 nm(6577.30～6579.90 cm-1)重复扫描,扫过乙炔ν1+ν2谱带中最强的R(9)线。光拍频信号被交流耦合平衡检测器接收后由数据采集卡采集。

图10(a)、(b)分别展示了从光电探测器输出的原始拍频信号及其傅里叶变换结果,在傅里叶变换后的空间域结果中明确地标识出三个气体传感点的反射峰,此外还可看到由光纤连接器处的菲涅耳反射等产生的多个弱反射峰。由激光扫频范围评估系统的空间分辨率为1.3 mm。通过仿真研究得知,当空间域选取数据的矩形窗口宽度大于10 cm 时,光谱误差可以忽略。因此,每个传感点反射峰由宽度为20 cm 的矩形窗口提取数据,再实施逆傅里叶变换,获得各个传感点的气体透射信号,结果如图10(c)所示。透射信号两端的幅度振荡是由频谱泄漏引起的,可通过低通滤波有效抑制。

图10 多点气体透射信号反演的数据处理过程。(a)原始拍频信号;(b)原始信号的傅里叶变换信号;(c)反演得到的三个气体传感点的透射信号[42]Fig.10 Data processing procedure of the retrieval of multi-point transmission signals.(a)Acquired raw signals;(b)DFT of the original beat signals;(c)Retrieved transmission signals of the three gas sensors[42]

对图10 中的透射信号进行基线拟合和归一化即可得到相应的透射光谱,结果如图11 所示。所获得的光谱分辨率为0.51 GHz 或0.017 cm-1,约为乙炔气体吸收线宽的十分之一,因此足以进行高特异性气体分析。图11 中同时给出了基于HITRAN 数据库的仿真结果,实验结果和仿真结果高度一致,验证了所提方法进行多点气体光谱分析的有效性。根据残差的标准差,估计三种气体传感器的平均噪声等效吸收为0.004,对应的乙炔气体检测灵敏度为5.5×10-5体积比。三个传感点的光谱残差具有相似的结构,这表明测量灵敏度主要受光学干涉噪声的限制。

图11 三个乙炔气体检测点的实验和仿真透射光谱比较[42]Fig.11 Comparison of the measured and simulated transmission spectra of three acetylene gas sensors[42]

4 大动态范围气体光谱检测

在大海拔跨度大气成分分析和燃烧效率精准监控等气体浓度变化范围大的应用场景中,气体检测的动态范围是一个重要指标[43-45]。然而,对于痕量气体检测,LAS 需要解决弱吸收问题,而对于高浓度气体的检测,必须避免过度吸收,这使得LAS 系统的动态范围通常被限制在4 个数量级左右[46,47]。一般而言,LAS 的动态范围小于其它零背景激光光谱技术,如光声光谱[48,49]、光热光谱[50,51]和拉曼光谱技术[52,53]等。最近,香港理工大学靳伟课题组采用基于反谐振空芯光纤模式相位差的光热光谱技术检测乙炔气体,获得了2×107的创纪录大动态范围[51],实验装置如图12 所示。

图12 基于反谐振空芯光纤模式相位差的光热光谱气体检测实验装置[51]Fig.12 Experimental setup of mode-phase-difference photothermal spectroscopy for gas detection with an anti-resonant hollow-core optical fiber[51]

在LAS 技术中,多通池和高反射腔可有效增加吸收光程,被广泛用于痕量气体分析,已可达到体积比为ppt(10-12)甚至ppq(10-15)水平的灵敏度[54]。然而,单纯通过增加吸收光程来扩大LAS 技术的动态范围是完全无效的,因为它在降低检测下限的同时也会相应地降低检测上限。根据比尔-朗伯定律的基本原理,扩展LAS 动态范围的直接方法只有两种:选择不同强度的气体吸收线和改变吸收光程。2010年,Zondlo 等[45]基于前一种方案使用两条吸收线开展不同海拔的大气水分子浓度检测,实现了高达6 个数量级的动态范围。这种变吸收线法不仅要求气体具有合适的吸收线,而且要求激光源具备宽调谐性,因而缺乏普遍适用性。因此,基于吸收光程变化的后一种方案受到更多关注。2015 年,Pog´any 等[55]在一套LAS 系统中将单通池与多通池结合使用,将气体检测动态范围从小于3 个数量级扩展到大于4 个数量级。2020 年,清华大学彭志敏课题组采用多通池和高反腔结合的方式调节吸收光程,获得了大于5 个数量级的动态范围[56],实验装置如图13 所示。然而,不同技术或不同装置的结合不可避免地增加了系统的复杂性和成本。

图13 多通池与高反射腔联用的激光吸收光谱系统[56]Fig.13 LAS system using a multipass cell with combination of a high-reflection optical cavity[56]

另一种调节吸收光程的方法是使用光程可变的多通池。多通池光程调节一般是通过改变反射镜的间距和(或)相对角度实现[19,25],但光程调节过程复杂、耗时,不适合实际的在线气体监测应用。长期以来,人们一直在寻找在不改变多通池物理参数的情况下实现光程简易调节的有效方法。2013 年,Tuzson等[23]提出了一种环形多通池设计,通过改变进入多通池的激光束入射角实现了2.2 m 和4.1 m 的不同光程。2018 年,吉林大学郑传涛课题组提出了一种双点环Herriott 型多通池设计,它有两个独立的入射孔,可分别获得20 m 和6 m 不同光程[57],该气池被用于实现双量程乙炔气体检测,实验装置如图14 所示。这种方法需要对激光入射方式进行精心设计和仔细调整,而实现的动态范围扩展却并不显著。

图14 基于双点环Herriott 型多通池的双量程乙炔检测实验装置[57]Fig.14 Experimental setup for double-range C2H2 detection using a dual spot-ring Herriott cell[57]

最近,本课题组在光学FMCW 技术的基础上提出了一种新的实现大动态范围气体检测的方法,称为光程复用吸收光谱技术(OPMAS)[58],其基本原理如图15 所示。OPMAS 系统的一个关键组件是内部有多个弱反射的气池,对应于不同的光程。OPMAS 系统同时工作在透射和反射两种模式,前者用于痕量气体分析,后者用于高浓度气体传感。在透射模式下,与传统的LAS 几乎相同,气体样品的透射光谱直接由测得的通过气室的扫频激光光强获得;反射模式的配置基于FMCW 干涉仪,其中气室放置在测量臂中。由于延迟时间的不同,来自不同反射点的扫频光将产生具有不同频率的拍频信号,因此可以通过傅里叶变换在距离域区分开。距离域中的每个反射峰都包含了该位置对应的吸收光谱信息,可以用逆傅里叶变换反演获得。透射模式相比于反射模式具有较长的光程和较低的干涉噪声,更适合痕量气体分析;而反射模式可以获取不同的短光程吸收光谱,避免过吸收,更适合高浓度气体传感。因此,通过这种光程复用的模式可以大范围调节吸收光程,从而显著地扩展气体检测的动态范围。

图15 OPMAS 技术基本原理示意图[58]Fig.15 Basic principle diagram of OPMAS[58]

在验证性实验中,采用基长为18 cm 的多通池,其内部反射232 次,单向透过光程约为42 m。多通池内充入常压乙炔作为样品气体,选用乙炔ν1+ν2谱带中最强的R(9)线进行光谱分析。为了实验验证OPMAS 的大动态范围特性,测量了跨4 个数量级以上的5 种不同浓度乙炔气体,包括9.8%、0.925%、0.112%、9.5×10-5和9.3×10-6体积比。前四种浓度是在反射模式下测量的(对应多通池内的反射峰序号分别为1,1,12,54),而最低的9.3×10-6体积比是在透射模式下测量的。图16 展示了OPMAS 系统在反射模式下实验测得的乙炔在不同浓度、不同吸收光程下的透射光谱,实验结果与HITRAN 仿真结果高度一致,验证了OPMAS 技术进行光谱分析的有效性(图中ppm 表示10-6体积比)。

图16 实验测量和HITRAN 仿真获得的乙炔在不同浓度、不同吸收光程下的透射光谱[58]Fig.16 Measured and simulated transmission spectra of acetylene at different concentrations with different absorption pathlengths[58]

根据系统透射模式下的噪声等效吸收(0.0003)和反射模式下可获得的最短吸收光程(往返0.359 m)评估得到系统的最低和最高探测限分别为5.6×10-8和10.53%体积比,相应的线性响应动态范围高达1.9×106。图17 展示了OPMAS 系统实验测得的吸收系数与气体浓度的线性关系(图中ppm 表示10-6体积比)。OPMAS 方法所实现的6 个数量级的大动态测量范围比其他传统的基于吸收的激光光谱技术大2～3 个数量级,甚至超过了除光热光谱技术以外的大多数零背景非吸收原理的光谱技术。相较于光热光谱需要复杂的泵浦探测装置和长而细的空芯光子晶体光纤气池,OPMAS 方法更简单,响应速度更快。在本工作中,所采用的激光光源线宽约为100 kHz,相干长度约为600 m,所能测量的多通池最大光程为300 m 左右,因而测量动态范围还有提升的空间。若要利用反射次数更多、光程更长的多通池进一步扩展动态范围,则需要采用线宽更窄、相干长度更长的激光光源。

图17 实验测得的吸收系数与气体浓度的线性关系[58]Fig.17 Plots of absorption coefficient value versus gas concentration[58]

5 总结与展望

重点介绍了本课题组最近提出的基于光学FMCW 的气体光谱检测技术原理及相关研究进展。该技术利用了FMCW 本身具备的定位能力,同时利用其光源本身的频率调谐特性,充分挖掘其光谱获取能力,由此实现了气体吸收光谱和光程同步测量、多点气体检测和大动态范围气体检测。光学FMCW 系统使用的是可调谐激光光源,因而它与传统LAS 方法是完全兼容的。目前光学FMCW 气体光谱检测技术尚处于研究的起步阶段,有许多科学技术问题有待进一步研究。例如,目前系统的最低可探测吸收为5×10-3的水平,主要受限于系统干涉噪声,可通过优化光路结构和引入干涉抑制的技术手段来提升测量灵敏度。在多点气体传感应用中,目前的气池布局采用的是总线式结构,若采用空芯光纤作为气池,则可以采用级联布局的准分布式结构,进一步提升传感光路的集成度和布设便捷度。在大动态范围气体检测中,多通池内部的反射次数决定了光程扩展能力,可以合理推测；如果使用反射次数更高的多通池,可以获得更大的动态范围扩展,但动态范围的具体扩展极限需研究确定。在大动态范围气体检测中另一个值得思考的方面是将OPMAS 技术与使用不同强度的跃迁谱线相结合,采用宽扫描范围的激光器,覆盖线强相差超过2 个数量级的吸收谱线,有望获得前所未有的108量级的动态测量范围。此外,目前本课题组已开展的工作都是单一气体检测,事实上若采用宽范围可调谐激光器,光学FMCW 技术则具备多组分气体同时检测的能力,可用于同时监测一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氨气等多种重要的工业排放气体。