CN101562114A - 一种使用Hadamard变换方法的离子迁移谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用Hadamard变换方法的离子迁移谱仪，它包括电离反应区、迁移区和电荷收集器，所述电离反应区内设置有离化源，所述电离反应区与所述迁移区之间设置有离子门，所述电离反应区的入口端设置有进样装置，所述离子门连接有一用于控制所述离子门周期性开关的伪随机二进制序列发生装置，所述电荷收集器连接有一用于完成信号数据的采集及结果的比对，若与样品数据库中的记录比对成功则报警的数据分析装置，所述离子迁移谱仪还包括一通过传感器对包括气体流量和各点温度进行精确控制的控制装置；具有检测速度快、灵敏度高、装置体积小、操作简单等特点，在缉毒、反恐和安检方面有广泛用途。

Description

一种使用Hadamard变换方法的离子迁移谱仪

技术领域

本发明涉及一种离子迁移谱仪(IMS：Ion Mobility Spectrometer)，特别涉及一种使用Hadamard变换数据处理实现方法的离子迁移谱仪。

背景技术

当今世界的反恐防暴的形势，使基于各种学科和技术的防暴检测设备得到长足的发展，除了基于分析化学学科的仪器装备外，基于物理方法的有：离子迁移谱(IMS)法、中子检测法、X射线检测法、核四极矩共振法等。

IMS探测技术是一种通过测量离子迁移速度来鉴定物质种类检测技术，离子在稳定电场及大气环境气压下通过迁移管，不同的离子具有不同的迁移时间，鉴别离子的迁移时间可对离子进行分离、定性；IMS探测技术出现于20世纪60年代，经过近40年来的研究，IMS探测仪器已发展为简单实用、灵敏度高、速度快、体积小、可进行自动比对分析的检测仪器，成为海关、机场和口岸等场所使用率最高的检测设备之一。

IMS(离子迁移谱)探测技术从根本上讲是一个离子分离技术，而离子迁移管是整台仪器的关键部件，它的好坏直接影响了仪器的整体性能。如图1所示，现有的离子迁移管主要分为四个部分：离化区、离子门、迁移区和电荷收集器；离子迁移谱仪的主要工作原理为：样品在采集、加热气化后，由载气带入离化区，载气分子和样品分子在离化区中的离化源的作用下发生一系列的电离反应和离子-分子反应，形成各种产物的离子；在电场的作用下，这些产物的离子通过周期性开启的离子门进入迁移区；产物的离子一方面从电场获得能量作定向漂移，另一方面与逆向流动的中性迁移气体分子不断碰撞而损失能量，宏观上形成沿电场方向的迁移速度，由于这些产物的离子的质量、所带电荷、碰撞截面和空间构型各不相同，故在电场中各自迁移的速率不同，使得不同的离子到达电荷收集器上的时间不同而得到分离；电荷收集器收集电荷，经过放大器将微小的电信号放大，然后对放大的信号进行处理并检测；通过与样品库中各种不同物质的迁移率的匹配，实现探测物质的识别；离子的迁移率就是通过测定离子穿过确定距离的迁移时间或者迁移速度来间接获得。

现有的离子迁移管中的这些过程都是在大气压力下完成的，温度与湿度对离子的迁移过程影响非常大，所以保证一个相对稳定的迁移环境是绝对必要的；在迁移气体进行干燥和净化后进入迁移区，如对迁移管的温度实行精确控制，都能保证迁移管内有一个比较稳定的环境。

同时，与其他现场痕量检测技术比较，IMS(离子迁移谱)探测技术的物理结构相对简单，但有两个问题须解决：提高分辨率(尽量减少进入电场后离子团的空间和能量发散)和提高占空比(使离子源提供尽可能多的离子)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用Hadamard变换方法的离子迁移谱仪，针对现有的离子迁移谱仪的问题，有效地提高占空比，获得更多的产物的离子。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种使用Hadamard变换方法的离子迁移谱仪，它包括电离反应区、迁移区和电荷收集器，所述电离反应区内设置有离化源，所述电离反应区与所述迁移区之间设置有离子门，其特征在于，所述电离反应区的入口端设置有进样装置，所述离子门连接有一用于控制所述离子门周期性开关的伪随机二进制序列发生装置，所述电荷收集器连接有一用于完成信号数据的采集及结果的比对，若与样品数据库中的记录比对成功则报警的数据分析装置，所述离子迁移谱仪还包括一通过传感器对包括气体流量和各点温度进行精确控制的控制装置。

在本发明的一个实施例中，所述伪随机二进制序列发生装置中的伪随机二进制序列为最大长度线性反馈的移位寄存器序列，所述移位寄存器序列由一线性反馈的n级移位寄存器生成。

进一步，所述伪随机二进制序列发生装置中的伪随机二进制序列由可编程逻辑器件产生。

在本发明的一个实施例中，所述离子门的控制频率为1kHz，所述离子门的开门时间为200μs。

在本发明的一个实施例中，所述电离反应区内的离化源采用放射性物质63Ni。

在本发明的一个实施例中，所述迁移区由一组电阻环组成，形成一个均匀电场，提供离子运动所需的能量。

在本发明的一个实施例中，所述控制装置采用嵌入式非对称双核处理器ARM+DSP作为控制芯片。

进一步，所述控制装置通过PID控制算法对所述离子迁移谱仪中的气体与温度等进行精确控制。

进一步，所述控制装置采用轮询的方式间隔地对每个传感器进行数据采集，每次采集一点。

进一步，所述轮询的间隔时间为10ms。

进一步，所述控制装置上还设置有通讯接口，所述通讯接口为USB和以太网双重通讯接口。

在本发明的一个实施例中，所述数据分析装置的信号采样频率为40kHz。

进一步，所述数据分析装置通过A/D转换芯片对信号数据进行采集。

在本发明的一个实施例中，所述离子迁移谱仪中迁移气体的流量控制在200cc/min。

在本发明的一个实施例中，所述离子迁移谱仪用于检测爆炸物时，所述迁移区内的温度控制在180℃。

在本发明的一个实施例中，所述离子迁移谱仪用于检测毒品时，所述迁移区内的温度控制在140℃。

本发明的一种使用Hadamard变换方法的离子迁移谱仪，由伪随机二进制序列发生装置产生的伪随机二进制序列来控制离子门的开关，可以提高离子的利用率，提高信噪比，并缩短检测时间；由进样装置采用试纸和吸气两种进样方法进行检测，具有检测速度快、灵敏度高、装置体积小、操作简单等特点，在缉毒、反恐和安检方面有广泛用途，实现本发明的目的。

附图说明

图1为现有的离子迁移管的结构示意图；

图2为本发明的离子迁移谱仪的结构示意图；

图3为本发明的n级移位寄存器的结构示意图；

图4为本发明的伪随机二进制序列的示意图；

图5为本发明的数据分析装置采集到原始数据的示意图；

图6为本发明的Hadamard变换的谱图的示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图2所示，一种使用Hadamard变换方法的离子迁移谱仪，它包括电离反应区10、迁移区20和电荷收集器30，电离反应区10内设置有离化源，电离反应区10与迁移区20之间设置有离子门40，电离反应区的入口端设置有进样装置50，离子门40连接有一伪随机二进制序列发生装置60，电荷收集器30连接有一数据分析装置70，所述离子迁移谱仪还包括一控制装置80。

进样装置50包括试纸或是吸气富集装置，电离反应区10内的离化源提供离化反应所需的能量，电离反应区10内，加热气化后的样品分子被载气带入，在离化源的作用下发生一系列反应，生成产物离子；离子门40周期性打开，将聚集的离子释放进迁移区20；迁移区20内有均匀电场，产物离子从电场中获得能量，朝一个方向运动；电荷收集器30位于迁移区20的末端，负责收集到达的产物离子，产生信号；伪随机二进制序列发生装置60用于控制所述离子门周期性开关的，数据分析装置70用于完成信号数据的采集及结果的比对，若与样品数据库中的记录比对成功则报警，控制装置80通过传感器对包括气体流量和各点温度进行精确控制。

Hadamard变换的理论模型是一种n阶矩阵方程，由法国数学家Hadamard提出，系类似于傅立叶变换的数据调制技术。其基本思想是设法提高其离子占空比(DC)，即提高离子的有效利用率。占空比的定义为：

$I_{S/N}=\sqrt{\frac{{\mathrm{DC}}_{\mathrm{improved}}}{{\mathrm{DC}}_{\mathrm{previous}}}}$

常规IMS探测技术中产物离子在离子门40前聚集，离子门40开启后进入迁移区20，离子门40是周期性开启的，为确保离子迁移率测量的精度，离子开40门时间约占离子在迁移管内迁移时间的1％，其占空比不大于1％。如果为提高占空比而加长离子门40开启时间，就会降低分辨率。Hadamard变换法，则用伪随机二进制序列发生装置60中的伪随机二进制序列控制离子门40。检测到的是多路不同起始时间序列时间谱的叠加信号，即检测到的是时间信号和Hadamard序列的卷积，经过反卷积得到被检测样品的离子迁移率谱，其离子占空比可达50％。由此，IMS谱仪的信噪比、检测灵敏度和检测速度等性能也大为提高。

若n阶方阵Hn＝(aij)的元素全为1或-1，且满足正交性条件：

$\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(a_{\mathrm{ik}}{a}_{\mathrm{jk}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}0,& i\≠j\\ n,& j\end{array}\right.$

则称Hn为一个n阶Hadamard矩阵。若Hn为Hadamard矩阵，则其转置矩阵H_n ^T也是Hadamard矩阵，且有以下性质：

$H_n{H}_n^T={\mathrm{nI}}_n\⇔H_n^T{H}_n={\mathrm{nI}}_n$

由上式，Hadamard矩阵的转置矩阵即其逆矩阵。

设Hn为Hadamard矩阵、Y是检测到的多通道叠加信号，X为原始谱信号，通过反卷积，可还原出被检测样品的离子迁移率谱(参见图6)。如下式：

$X=H_n^{-1}Y$

如图3所示，伪随机二进制序列发生装置60中的伪随机二进制序列为最大长度线性反馈的移位寄存器序列，所述移位寄存器序列由一线性反馈的n级移位寄存器生成，在本发明中，所述移位寄存器由一个n＝9级m序列产生器，其生成多项式(即连接关系)为x9+x4+1。移位寄存器组D1～D9设置为非全“0”的初始状态(D1～D8为“0”，D9为“1”)，将产生周期为511(2n-1)的伪随机二进制序列(参见图4)，其输出含255(2n-1-1)个“1”状态和256(2n-1)个“0”状态。该序列可用于门信号控制，以达到近50％的占空比。由该序列，循环构造一个2n-1阶的矩阵Hn(用“-1”替换矩阵中所有为“0”的元素)。

伪随机二进制序列发生装置60中的伪随机二进制序列由可编程逻辑器件产生。

在本发明中，离子门40的控制频率为1kHz，离子门40的开门时间为200μs。

在本发明中，电离反应区10内的离化源采用放射性物质63Ni。

在本发明中，迁移区20由一组电阻环组成，形成一个均匀电场，提供离子运动所需的能量。

在本发明中，控制装置80采用嵌入式非对称双核处理器ARM+DSP作为控制芯片；控制装置80通过PID控制算法对所述离子迁移谱仪中的气体与温度等进行精确控制；控制装置80采用轮询的方式间隔地对每个传感器进行数据采集，每次采集一点；轮询的间隔时间为10ms。

控制装置80上还设置有通讯接口，所述通讯接口为USB和以太网双重通讯接口。

在本发明中，数据分析装置70的信号采样频率为40kHz；数据分析装置70通过A/D转换芯片对信号数据进行采集。(参见图5)

在本发明中，所述离子迁移谱仪中迁移气体的流量控制在200cc/min。

在本发明中，所述离子迁移谱仪用于检测爆炸物时，迁移区20内的温度控制在180℃；所述离子迁移谱仪用于检测毒品时，迁移区20内的温度控制在140℃。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (16)

1、一种使用Hadamard变换方法的离子迁移谱仪，它包括电离反应区、迁移区和电荷收集器，所述电离反应区内设置有离化源，所述电离反应区与所述迁移区之间设置有离子门，其特征在于，所述电离反应区的入口端设置有进样装置，所述离子门连接有一用于控制所述离子门周期性开关的伪随机二进制序列发生装置，所述电荷收集器连接有一用于完成信号数据的采集及结果的比对，若与样品数据库中的记录比对成功则报警的数据分析装置，所述离子迁移谱仪还包括一通过传感器对包括气体流量和各点温度进行精确控制的控制装置。

2、如权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述伪随机二进制序列发生装置中的伪随机二进制序列为最大长度线性反馈的移位寄存器序列，所述移位寄存器序列由一线性反馈的n级移位寄存器生成。

3、如权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述伪随机二进制序列发生装置中的伪随机二进制序列由可编程逻辑器件产生。

4、如权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述离子门的控制频率为1kHz，所述离子门的开门时间为200μs。

5、如权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述电离反应区内的离化源采用放射性物质63Ni。

6、如权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述迁移区由一组电阻环组成，形成一个均匀电场，提供离子运动所需的能量。

7、如权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述控制装置采用嵌入式非对称双核处理器ARM+DSP作为控制芯片。

8、如权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述控制装置通过PID控制算法对所述离子迁移谱仪中的气体与温度等进行精确控制。

9、如权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述控制装置采用轮询的方式间隔地对每个传感器进行数据采集，每次采集一点。

10、如权利要求9所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述轮询的间隔时间为10ms。

11、如权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述控制装置上还设置有通讯接口，所述通讯接口为USB和以太网双重通讯接口。

12、如权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述数据分析装置的信号采样频率为40kHz。

13、如权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述数据分析装置通过A/D转换芯片对信号数据进行采集。

14、如权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述离子迁移谱仪中迁移气体的流量控制在200cc/min。

15、如权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述离子迁移谱仪用于检测爆炸物时，所述迁移区内的温度控制在180℃。

16、如权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述离子迁移谱仪用于检测毒品时，所述迁移区内的温度控制在140℃。

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