CN105911022B - 基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测方法和装置，该装置包括：波长可调谐的量子级联激光器、离轴抛物面镜、卡塞格林望远镜接收系统、微悬臂梁‑迈克尔逊干涉系统、基于计算机的信号处理单元；宽调谐外腔式量子级联激光器发射可调谐脉冲光经离轴抛物面镜反射到目标气体，反射或散射回的激光经望远镜接收系统收集后聚焦到微悬臂梁表面，其振动信息由迈克尔逊干涉计解调获得，光电探测器将干涉光信号转换成电信号，经信号采集和分析系统反演出危化品种类和浓度信息。本发明可实现微弱光信号的高灵敏度检测，测量精度高，可同时检测多种危化品，装置结构紧凑，操作简单、便携性和实用性强。
Description
技术领域
本发明属于激光遥感探测技术领域和危化品检测技术领域，具体涉及基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测方法和装置。
背景技术
在各类社会矛盾凸显，暴恐突现的今天，危险化学品造成的社会公共安全问题引起了社会各界的广泛重视。尤其是2001年美国911事件，2005年伦敦七七爆炸案，2013年波士顿马拉松爆炸案等恐怖事件后，如何快速有效探测易燃易爆物和化学战剂成为各国公共安全领域亟待解决的重大问题。研制快速，高效、准确的危化品远距离检测早期预警系统对提高我国公共安全防范能力和保障人民生命安全具有重要的现实意义。
目前，国内外所采用的危化品检测技术主要有各种光谱分析技术、气相色谱技术、离子迁移谱技术、声表面波技术、微电机系统传感技术、质谱法、荧光传感技术、生物传感器等。依据检测方式主要分为接触式和非接触式两种。将激光吸收光谱分析技术用于安全检测领域，具有独特的优势：1)不同危化品成分在红外波段具有不同的特征吸收“指纹谱”，据此可实现不同种类危化品的成分鉴别；2)响应速度快，灵敏度高；3)非接触式探测，保障检测人员人身安全。
申请号201010583546.6的中国专利公开了基于中红外量子级联激光器，利用直接吸收光谱技术检测痕量气体的方法；申请号201510056466.8的中国专利公开了基于中红外量子级联激光器，并结合波长解调技术探测痕量气体的方法；前者需将待测气体抽入吸收池内检测，后者虽可检测开放大气，但只能用于固定点监测，移动性差,操作繁琐,以上两种专利都是非遥感式探测；申请号201110188274.4的中国专利采用OPO激光器作为激光发射源，激光雷达接受系统接收回波，光电探测系统解调光信号，利用激光雷达的差分吸收测量大气中爆炸敏感物质如丙酮浓度，一次只能探测单一成分；上述方法均以吸收光谱技术为基础，直接利用光电探测器或结合波长调制技术(数字锁相放大器)解调光信号，再进行气体种类和浓度信息反演。
然而，针对爆炸物和危化品检测这一生命攸关的技术领域，现有遥感探测技术的测量精度，尤其是对微弱信号的响应和探测灵敏度尚需大幅度提高，可同时检测的危化品成分种类较为单一，且装置和光路设计往往较为复杂，可操作性和实用性不强。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测方法及装置，其可实现微弱光信号的高灵敏度检测，可同时检测多种危化品，具有测量精度高，结构简单紧凑，可操作性和实用性强之优点。
本发明的目的之一在于提供一种基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测方法，包括以下步骤：
(1)以波长可调谐的脉冲式外腔量子级联激光作为激发光源，根据目标气体“指纹谱”特性选择匹配的激光发射波段，通过离轴抛物面镜聚焦准直后反射到目标气体表面；
(2)目标气体的反射或散射光通过激光收发同轴的卡塞格林望远镜接收后聚焦到微悬臂梁表面；
(3)微悬臂梁—迈克尔逊干涉系统工作：微悬臂梁的谐振信息通过迈克尔逊相位干涉计解调获得电信号；
(4)电信号输入基于计算机的信号采集和分析系统，通过相关信号处理算法处理后与危化品吸收光谱数据库比对，鉴别出危化品物质种类和浓度信息；
其中：
步骤(1)所述脉冲式外腔量子级联激光中心辐射波长为5～13μm，波长调谐范围可达±150cm-1，脉冲重复率可达3MHz量级；
步骤(1)所述激光与所述离轴抛物面镜之间的入射角和反射角呈45°；
步骤(1)所述离轴抛物面镜聚焦准直后的反射光与步骤(2)所述卡塞桂林望远镜接收光路同轴，并沿其轴心方向传播；
步骤(2)所述卡塞格林望远镜镀有中红外增透膜，以增强目标气体反射和散射光收集效率；
步骤(2)和步骤(3)所述微悬臂梁设置于所述卡塞格林望远镜焦点处。
具体地，步骤(3)中谐振信息获取方法为：所述干涉计中的可见光半导体激光器输出的激光经分束器分成两束光路，一束经所述分束器反射后到达所述干涉计中的平面反射镜，反射回所述分束器，再通过该分束器到达光电探测器，另一束通过所述分束器射至所述微悬臂梁表面，再反射回所述分束器，经该分束器反射至光电探测器，两束光在相遇时形成干涉，光电探测器将所获干涉光信号转化为电信号。
或者具体地，步骤(3)中谐振信息获取方法为：所述干涉计中的可见光半导体激光器输出的激光经光纤耦合器分成两束光路，一束经所述光纤耦合器到达光纤反射面，反射回所述光纤耦合器，再通过该光纤耦合器到达所述光电探测器，另一束通过所述光纤耦合器和光纤准直器到达微悬臂梁表面，再经所述光纤准直器反射回所述光纤耦合器，经该光纤耦合器到达所述光电探测器。
进一步地，所述方法还包括在目标气体浓度超过一定浓度时做出相应预警和报警处理。
进一步地，所述方法能同时检测若干种危化品气体，所述气体包括TNT、RDX、TATP、PETN、乙醇、丙酮中的一种或几种。
具体地，所述方法采用基于小波变换的背景扣除技术和小波去噪技术实现背景信号扣除和噪声分离，并采用主成分分析法鉴别同时存在的若干种气体的特征吸收“指纹谱”。
本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测装置，其按照光传输路径依次包括：
(1)波长可调谐的脉冲式外腔量子级联激光器；
(2)离轴抛物面镜；
(3)卡塞格林望远镜激光接收系统；
(4)微悬臂梁—迈克尔逊干涉系统；
(5)基于计算机的信号处理和分析单元；
具体地，所述微悬臂梁—迈克尔逊干涉系统包括可见光半导体激光器、分束器、平面反射镜、微悬臂梁和光电探测器；
或者具体地，所述微悬臂梁—迈克尔逊干涉系统包括可见光半导体激光器、光纤耦合器、光纤反射面、光纤准直器、微悬臂梁和光电探测器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明首次将新型外腔式中红外量子级联激光吸收光谱技术和基于微悬臂梁的迈克尔逊相位干涉技术创造性地相结合，采用特定光路设计测量危化品红外“指纹”吸收光谱，配合小波变换背景扣除技术和小波去噪技术，以及主成分分析算法鉴别同时存在的若干种气体，籍此反演出危化品种类和浓度。
(1)以高重复率、宽调谐范围的脉冲模式外腔量子级联激光器作为激光光源，相比于现有技术中单一成分的爆炸物探测装置(如申请号201110188274.4的中国专利中公开的OPO激光器)，本发明可实现多种危化品成分同时检测和鉴别，在实际应用中降低漏报概率，高重复率的脉冲激光可在短时间内完成数千次信号平均，提高测量精度。
(2)特别设计镀有中红外增透膜的望远镜激光接收系统，有效增强不同距离处目标物反射和散射光的收集效率。
(3)与传统方法中直接利用光电探测器或结合波长调制技术的解调方式相比，将微悬臂梁和迈克尔逊相位干涉系统有机结合作为反射光和散射光探测器，二者协同作用，可大幅度提高系统对微弱信号的响应灵敏度及探测灵敏度，且具有无带宽限制，适用于任何波段的激光光源之优点；此外，微悬臂梁-迈克尔逊干涉系统还可采用全光纤式结构，使结构更加紧凑，光路调节更加方便。
(4)采用独特的光路设计，实现发射和接收光路一体化，将各工作单元联接为一个高效工作统一体，装置结构紧凑，便携性强，操作简单，在危化品遥感探测方面具有很强的实用性，能大大提高爆炸物和危化品的预警及报警效率。
附图说明
图1为基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测装置实施例示意图(微悬臂梁—迈克尔逊干涉系统为自由空间结构)；其中，1：宽调谐外腔式量子级联激光器，2：离轴抛物面镜，3：卡塞格林望远镜激光接收系统，4：微悬臂梁，5：可见光半导体激光器、6：分束器，7：平面反射镜，8：光电探测器，9：信号采集和分析系统，10：待检测目标气体、A：激光脉冲、B：干涉光信号。
图2为基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测装置实施例示意图(微悬臂梁—迈克尔逊干涉系统为全光纤结构)；其中：1’:宽调谐外腔式量子级联激光器，2’：离轴抛物面镜，3’:卡塞格林望远镜激光接收系统，4’：微悬臂梁，5’:可见光半导体激光器，6’：光纤耦合器，7’：光纤反射面，8’：光电探测器，9’：信号采集和分析系统，10’：光纤准直器，11’：待检测目标气体，A：激光脉冲。
图3为实施例测量的丙酮和乙醇吸收光谱示意图。
图4为本实施例采用的小波背景扣除和噪声分离方法示意图。
图5为本实施例采用的主成分分析算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明，但不对本发明的权利要求做任何限定。
如图1所示，以同时检测TNT、RDX、TATP、PETN、乙醇、丙酮危化品的挥发气体为例，本实施例基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测装置按照光传输路径依次包括：宽调谐外腔式量子级联激光器1(波长调谐范围6.9～8.8μm，脉冲重复率可达3MHz，平均功率20mW)、离轴抛物面镜2、卡塞格林望远镜激光接收系统3(镀有中红外增透膜，口径100mm,焦距300mm)、微悬臂梁4(材质：稳定性较好的氮化硅)、可见光半导体激光器5(波长650nm)、分束器6、平面反射镜7、光电探测器8、信号采集和分析系统9。
宽调谐外腔式量子级联激光器1、离轴抛物面镜2、卡塞格林望远镜激光接收系统3及待检测目标气体10的位置设计如下：宽调谐外腔式量子级联器1发射激光与离轴抛物面镜2之间的入射角和反射角呈45°，离轴抛物面镜2聚焦准直后的反射光与卡塞格林望远镜激光接收系统3光路同轴，并沿其轴心方向传播。
微悬臂梁4、可见光半导体激光器5、分束器6、平面反射镜7、光电探测器8构成微悬臂梁—迈克尔逊干涉系统，为自由空间结构9，微悬臂梁4位于卡塞格林望远镜激光接收系统3的焦点处。
本实施例方法步骤如下：
(1)波长可调谐的宽调谐外腔式量子级联激光器1发射激光(激光器波长在其调谐范围6.9～8.8μm之间来回扫描，激光波长调谐率25cm-1/ms；脉冲宽度200ns；平均功率20mW)，通过离轴抛物面镜2聚焦准直后反射到目标气体10表面；
(2)目标气体10的反射或散射光通过卡塞格林望远镜接收系统3接收后聚焦到微悬臂梁4表面；
(3)微悬臂梁—迈克尔逊干涉系统工作：微悬臂梁4的谐振信息(包括振动强度和频率)由迈克尔逊相位干涉计解调获得，其中，获取所述谐振信息的方法为：可见光半导体激光器5输出的激光经分束器6分成两束光路，一束经分束器6反射后到达平面反射镜7，反射回分束器6，再通过分束器6到达光电探测器8，为光束I1，另一束通过分束器6射至微悬臂梁4表面，再反射回分束器6，经分束器6反射至光电探测器8，为光束I2，I1和I2同向且同光路传输，发生干涉，其干涉光的强度为I0。
当微悬臂梁4未发生振动时，如下式：
式中Δφ＝φ1-φ2，表示两束相干光干涉时的相位差。
当微悬臂梁4发生振动，光束I2的光程将会发生变化，此时在两束光相干涉处，I2可以表示为：
I2＝A2cos(ω(t)+φ2) (1.2)
式(1.2)中ω(t)为由于微悬臂梁4振动，使得I2的相位随着时间发生的变化。
此时，式(1.1)就会发生变化，如下式：
从式(1.3)可以看到，两束光相干涉后的干涉光强度随着两束光的相位差的改变而变化。光电探测器8将检测的光信号转化为电信号，通过分析此电信号变化信息来得到微悬臂梁4的振动信息。
(4)上述电信号输入基于计算机的信号采集和分析系统9，采用Labview的软件进行分析处理，最终获得目标气体的吸收光谱，通过与系统自带的危化品吸收光谱数据库进行比对，鉴别出危化品物质的种类和浓度，并作出相应预警与报警处理。所获乙醇和丙酮吸收光谱如图3所示，可见本发明可同时鉴别多种危化品气体成分，具有极高的灵敏度和准确度。
如图2所示，本发明危化品遥感探测装置中的微悬臂梁—迈克尔逊干涉系统可设计为全光纤结构，包括可见光半导体激光器5’、光纤耦合器6’、光纤反射面7’、光纤准直器10’、微悬臂梁4’、光电探测器8’及四个端口，可见光半导体激光器5’输出的激光经1端口被光纤耦合器6’分成两束光路，一束经2端口到达光纤反射面7’，反射回光纤耦合器6’，再通过光纤耦合器6’和4端口到达光电探测器8’，为光束I1，另一束经3端口和光纤准直器10’到达微悬臂梁4’表面，再经光纤准直器10’反射回光纤耦合器6’，经该光纤耦合器6’和4端口到达光电探测器8’，为光束I2，I1和I2同向且同光路传输，发生干涉，其干涉光的强度为I0。
本实施例中涉及的激光与危化品气体相互作用的吸收过程,主要基于朗伯-比尔定律，即吸光度A与气体吸光系数k、气体浓度C、有效吸收光程L之间满足成正比关系：
其中,I0(v)和I(v)分别为入射激光被气体吸收前后的光强。对于n种气体同时存在吸收时,以上公式可扩展为:
传统方法中主要通过事先测量不含吸收物质的样品信号作为I0(v),再与待分析物质的吸收信号I(v)相除,实现背景扣除并获取待分析物质的吸光度信号A,但该方法很难在实际遥感探测应用中实现。本发明中主要通过基于小波变换的背景扣除技术,同时结合小波去噪技术,实现背景信号扣除和噪声的有效分离,获取高信噪比的物质吸光度光谱信号，其实现过程如图4所示。由图4图可知，整个信号处理过程中，背景扣除和噪声分离的先后顺序完全可逆。
本实施例气体成分的鉴别主要是采用与标准物质吸收谱的匹配方法,利用每种物质在特定波长范围具有独特的“指纹”吸收谱特征建立一个标准的光谱数据库。通过将实验测量的吸收光谱与标准光谱数据库进行多波长范围比对即可确定吸收物质的成分。当存在多种危化品同时吸收时，其特征吸收“指纹谱”有可能存在频谱间交叠效应，从而影响危化品成分识别的准确度。如图5所示，本实施例采用主成分分析算法(Principal ComponentAnalysis，PCA)解决了多种危化品成分同时存在时检测的准确度问题。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测方法，包括以下步骤：
(1)以波长可调谐的脉冲式外腔量子级联激光作为激发光源，根据目标气体种类选择匹配的激光发射波段，通过离轴抛物面镜聚焦准直后反射到目标气体表面；
(2)目标气体的反射或散射光通过激光收发同轴的卡塞格林望远镜接收后聚焦到微悬臂梁表面；
(3)微悬臂梁—迈克尔逊干涉系统工作：微悬臂梁的谐振信息通过迈克尔逊相位干涉计解调获得电信号；
(4)电信号输入基于计算机的信号采集和分析系统，通过与危化品吸收光谱数据库比对，鉴别出危化品物质种类和浓度信息；
其中：
步骤(1)所述脉冲式外腔量子级联激光中心辐射波长为5～13μm，波长调谐范围±150cm-1，脉冲重复率最大达3MHz量级；
步骤(1)所述激光与所述离轴抛物面镜之间的入射角和反射角呈45°；
步骤(1)所述离轴抛物面镜聚焦准直后的反射光与步骤(2)所述卡塞格林望远镜接收光路同轴，并沿其轴心方向传播；
步骤(2)所述卡塞格林望远镜镀有中红外增透膜；
步骤(2)和步骤(3)所述微悬臂梁设置于所述卡塞格林望远镜焦点处；
所述方法采用基于小波变换的背景扣除技术和小波去噪技术实现背景信号扣除和噪声分离，采用主成分分析法鉴别同时存在的若干种气体的特征吸收“指纹谱”；
实现所述方法的装置按照光传输路径依次包括：
(1)波长可调谐的脉冲式外腔量子级联激光器；
(2)离轴抛物面镜；
(3)卡塞格林望远镜激光接收系统；
(4)微悬臂梁—迈克尔逊干涉系统；
(5)基于计算机的信号处理和分析单元；
所述微悬臂梁—迈克尔逊干涉系统包括可见光半导体激光器、分束器、平面反射镜、微悬臂梁和光电探测器；
或者，所述微悬臂梁—迈克尔逊干涉系统包括可见光半导体激光器、光纤耦合器、光纤反射面、光纤准直器、微悬臂梁和光电探测器。
2.根据权利要求1所述的基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测方法，其特征在于步骤(3)中谐振信息获取方法为：所述干涉计中的可见光半导体激光器输出的激光经分束器分成两束光路，一束经所述分束器反射后到达所述干涉计中的平面反射镜，反射回所述分束器，再通过该分束器到达光电探测器，另一束通过所述分束器射至所述微悬臂梁表面，再反射回所述分束器，经该分束器反射至光电探测器，两束光在相遇时形成干涉，光电探测器将所获干涉光信号转化为电信号。
3.根据权利要求1所述的基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测方法，其特征在于步骤(3)中谐振信息获取方法为：所述干涉计中的可见光半导体激光器输出的激光经光纤耦合器分成两束光路，一束经所述光纤耦合器到达光纤反射面，反射回所述光纤耦合器，再通过该光纤耦合器到达所述光电探测器，另一束通过所述光纤耦合器和光纤准直器到达微悬臂梁表面，再经所述光纤准直器反射回所述光纤耦合器，经该光纤耦合器到达所述光电探测器。
4.根据权利要求1所述的基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测方法，其特征在于：还包括在目标气体浓度超过一定浓度时做出相应预警或报警处理。
5.根据权利要求1所述的基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测方法，其特征在于所述方法能同时检测的气体包括TNT、RDX、TATP、PETN、乙醇、丙酮中的一种或几种。
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