CN108760673A - 基于太赫兹的高危化学品探测的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于太赫兹的高危化学品探测装置，所述装置包括太赫兹波产生单元、太赫兹波收发单元、回波分析单元；所述太赫兹波产生单元用于产生太赫兹探测信号、太赫兹参考信号和太赫兹本振信号；所述太赫兹波收发单元用于将所述太赫兹探测信号以及所述太赫兹参考信号发送至待测高危化学品，并接收携带待测高危化学品信息的太赫兹回波信号；所述回波分析单元用于对所述太赫兹回波信号和所述太赫兹本振信号进行分析，得到待测高危化学品的信息。通过本申请所述装置实现了对高危化学品的远距离现场探测，从而快速、准确、安全的对高危化学品进行监测预警。
Description
技术领域
本发明涉及环境安全领域，特别是涉及基于太赫兹的高危化学品探测的装置和方法。
背景技术
化学武器等高危化学品释放或泄漏后可形成气溶胶云团并迅速扩散，造成大范围的人类及环境致命性破坏。快速准确的高危化学品监测预警将为后续的防护、销毁、洗消、疏散等工作提供重要数据，极大减少损害。
目前，高危化学品的主要方法有气相色谱-质谱法、离子迁移法、核磁共振法、紫外激光诱导荧光检测法、表面增强拉曼散射光谱法。其中气相色谱-质谱法、离子迁移法、核磁共振法、紫外激光诱导荧光检测法为接触式检测方法，需采样或预处理等操作，不适用于现场检测，而表面增强拉曼散射光谱法不适用于远距离检测。
发明内容
基于此，有必要针对传统技术不能满足远距离检测现场高危化学品的问题，提供一种基于太赫兹的高危化学品探测的装置和方法。
一种基于太赫兹的高危化学品探测装置，所述装置包括太赫兹波产生单元、太赫兹波收发单元、回波分析单元；
所述太赫兹波产生单元用于产生太赫兹探测信号、太赫兹参考信号和太赫兹本振信号，并将所述太赫兹探测信号以及所述太赫兹参考信号发送至太赫兹波收发单元，将所述太赫兹本振信号发送至所述回波分析单元；
所述太赫兹波收发单元用于将所述太赫兹探测信号以及所述太赫兹参考信号发送至待测高危化学品，并接收携带待测高危化学品信息的太赫兹回波信号；
所述回波分析单元用于将所述太赫兹本振信号与所述太赫兹回波信号进行调制分析，得到待测高危化学品的信息。
在其中一个实施例中，所述太赫兹波产生单元包括数字信号发生模块以及数字转脉冲模块，
所述数字信号发生模块用于产生数字信号，并将所述数字信号发送至所述数字转脉冲模块；
所述数字转脉冲模块用于将所述数字信号转化为太赫兹探测信号、太赫兹参考信号以及太赫兹本振信号。
在其中一个实施例中，所述太赫兹波收发单元包括收发开关以及格里高利型双偏置反射面天线；
所述收发开关用于控制所述格里高利型双偏置反射面天线发送所述太赫兹探测信号以及太赫兹参考信号，以及用于控制所述格里高利型双偏置反射面天线接收所述太赫兹回波信号。
在其中一个实施例中，所述收发开关控制所述格里高利型双偏置反射面天线发送所述太赫兹探测信号的过程和所述收发开关控制所述格里高利型双偏置反射面天线接收所述太赫兹回波信号的过程分别进行。
在其中一个实施例中，所述格里高利型双偏置反射面天线包括主反射面、副反射面以及馈源。
在其中一个实施例中，所述回波分析单元包括探测器和信号处理器，
所述探测器接收所述太赫兹本振信号和所述太赫兹回波信号，并将所述太赫兹本振信号与所述太赫兹回波信号进行调制，得到探测结果；
所述信号处理器接收所述探测结果，并对所述探测结果进行解析处理，得到所述待测高危化学品的种类和浓度。
在其中一个实施例中，所述探测器的组成包括肖特基二极管混频器。
在其中一个实施例中，所述探测结果包括待测高危化学品的太赫兹吸收光谱或所述太赫兹回波信号的参数。
在其中一个实施例中，所述装置进一步包括反射单元所述反射单元用于将所述太赫兹回波信号反射回所述格里高利型双偏置反射面天线。
一种基于太赫兹的高危化学品探测方法，所述方法包括：
接收数字信号，将所述数字信号转换为太赫兹探测信号、太赫兹参考信号以及太赫兹本振信号；
将所述太赫兹探测信号发送至待测高危化学品进行探测，得到太赫兹回波信号；
对所述太赫兹回波信号与所述太赫兹本振信号进行调制分析，得到太赫兹吸收光谱的信息；
对所述太赫兹吸收光谱的信息进行解析，得到所述高危化学品的种类和浓度信息。
上述基于太赫兹的高危化学品探测的装置和方法，通过太赫兹收发单元实现将产生的太赫兹脉冲进行远距离发送与接收，通过对接收到的太赫兹回波信号进行分析得到高危化学品的信息，实现了对高危化学品的远距离现场探测，从而快速、准确、安全的对高危化学品进行监测预警。
附图说明
图1为一个实施例提供的太赫兹高危化学品探测装置示意图；
图2为一个实施例提供的太赫兹高危化学品探测方法流程图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，请一并参阅图1，图1提供了一个实施例提供的基于太赫兹的高危化学品探测装置100。在一个实施例中，基于太赫兹的高危化学品探测装置100包括太赫兹波产生单元101、太赫兹波收发单元102以及回波分析单元103。
在其中一个实施例中，太赫兹波产生单元101用于产生太赫兹探测信号、太赫兹参考信号和太赫兹本振信号，并将所述太赫兹探测信号以及所述太赫兹参考信号发送至太赫兹波收发单元102，将所述太赫兹本振信号发送至所述回波分析单元103。
在其中一个实施例中，太赫兹波产生单元101包括数字信号发生模块1011以及数字转脉冲模块1012。具体的，数字信号发生模块1011用于产生数字信号，并将所述数字信号发送至所述数字转脉冲模块1012；数字转脉冲模块1012用于将所述数字信号转化为太赫兹探测信号、太赫兹参考信号以及太赫兹本振信号。具体的，通过数字转脉冲模块1012产生太赫兹波能够有效减少元件的使用，从而顺应太赫兹探测装置小型化的趋势。可选的，太赫兹波产生单元101还可以选用激光模块。
在一个实施例中，太赫兹波收发单元102用于将所述太赫兹探测信号和太赫兹参考信号发送至待测高危化学品104，并接收携带待测高危化学品104信息的太赫兹回波信号。具体的，太赫兹回波信号是指太赫兹探测信号以及太赫兹参考信号发送至待测高危化学品104之后，经反射单元105反射的信号。在一个实施例中，所述太赫兹收发单元102与待测高危化学品104的距离在100米之内。可以理解的，太赫兹收发单元102与待测高危化学品105的距离不局限在100米之内，针对不同的距离以及天气状况来调节不同的太赫兹发送功率能够实现对不同距离待测高危化学品的探测。
在其中一个实施例中，所述太赫兹波收发单元102包括收发开关1021以及格里高利型双偏置反射面天线1022，所述收发开关1021用于控制所述格里高利天线1022发送太赫兹探测信号和太赫兹参考信号；以及所述收发开关用于控制所述格里高利天线接收所述太赫兹回波信号。在其中一个实施例中，所述格里高利型双偏置反射面天线1022包括主反射面、副反射面以及馈源。作为一种可选的实施方式，收发开关1021控制格里高利型双偏置反射面天线1022发送太赫兹探测信号，以及格里高利型双偏置反射面天线1022接收太赫兹回波信号的过程是分别进行的。作为一种可选的实施方式，格里高利型双偏置反射面天线1022同时实现接收和发送两个功能。具体的，格里高利型双偏置反射面天线1022有两个焦点，且两个焦点位于两个反射面，因此格里高利型双偏置反射面天线可以安装两个馈源，从而能够同时实现接收和发送两个功能。在一个实施例中，将格里高利型双偏置反射面天线将馈源和副反射面之间的间隔拉大，从而实现远场条件。
在一个实施例中，回波分析单元103用于将所述太赫兹回波信号与太赫兹本振信号进行调制分析，得到待测高危化学品的信息。具体的，太赫兹探测信号以及太赫兹参考信号对待测高危化学品进行探测，得到太赫兹回波信号，太赫兹回波信号经反射单元105反射到太赫兹收发单元102，太赫兹收发单元102接收到太赫兹回波信号后，将太赫兹回波信号发送至回波分析单元103。在一个实施例中，回波分析单元103包括探测器1032和信号处理模块1031。在其中一个实施例中，所述探测器1032包括阵列探测器、单个探测器。在一个实施例中，探测器1032优选阵列探测器。具体的阵列探测器能够提高探测的速度和范围。在一个实施例中，探测器1032的组成包括肖特基二级管混频器。具体的，肖特基二级管混频器能够实现常温探测。可选的，探测器1032的组成不局限于肖特基二级管混频器，其他能够实现常温探测的器件均可。
在一个实施例中，探测器1032对太赫兹回波信号的探测结果包括得到待测高危化学品的厚度L，太赫兹回波信号的回波功率Pr(λ)，太赫兹探测信号的发射功率Pt(λ)，待测目标吸收系数α(λ)，太赫兹探测信号波长λ0，太赫兹参考信号波长λω。
在一个实施例中，信号处理模块1031，接收探测结果，并对所述探测结果进行分析处理，得到所述待测高危化学品的种类和浓度。在其中一个实施例中，信号处理模块1031根据太赫兹吸收光谱中吸收峰的频率与已知数据库中的物质吸收峰峰的频率进行比对，得到待测高危化学品的种类。作为一种可选的实施方式，根据lambert-beer定律，信号处理模块1031，通过判断太赫兹吸收光谱中,吸收峰的大小，并且与参考标样进行比较，即得到各高危化学物质的相对浓度值。作为一种可选的实施方式，根据lambert-beer定律，信号处理模块1031，通过以下公式得到高危化学物质的浓度值：
在一个实施例中，基于太赫兹的高危化学品探测装置100还包括反射单元105。具体的，反射单元105用于将太赫兹回波信号反射回太赫兹波收发单元。作为一种可选的实施方式，反射单元105为反射镜。可以理解的，反射单元105不限于反射镜，能够实现将太赫兹回波信号反射回太赫兹收发单元102的装置皆可，例如光滑的墙面。
在一个实施例中，请一并参照图2，提供了一种基于太赫兹的高危化学品探测方法，所述方法包括：
S210，接收数字信号，将所述数字信号转换为太赫兹探测信号、太赫兹参考信号以及太赫兹本振信号；
S220，将所述太赫兹探测信号发送至待测高危化学品进行探测，得到太赫兹回波信号；
S230，对所述太赫兹回波信号与所述太赫兹本振信号进行调制分析，得到所述太赫兹吸收光谱的信息；
S240，对所述太赫兹吸收光谱的信息进行解析，得到待测高危化学品的种类和浓度信息。
具体的，对于一些大分子大气高危化学品，使用太赫兹波得到的谱线得到的吸收峰更尖锐，并且线型重叠较少，使得大气高危化学品的辨别更加容易。
具体地，太赫兹波相比于其它检测手段，其在很多介电材料和非极性液体具有良好的穿透性，因此太赫兹波可以对不透明的物体进行透视成像。此外，由于太赫兹的典型波长远大于空气中的烟尘颗粒的尺度，这些悬浮的烟尘颗粒对太赫兹波的散射远小于对其它电磁波的散射，因此可以在较为复杂的现场环境中作检测手段。
具体地，太赫兹波具有指纹谱性，对不同的物质具有不同频率的吸收峰与反射峰，能够根据数据库现有的指纹信息高效准确地标定大气高危化学品物质的种类；同时可以根据振动幅值的特征来判断大气高危化学品的浓度。可选的，根据振动幅值的特征判断大气高危化学品浓度的方法包括根据特征峰的面积大小、根据特征峰的最高点的振幅之比等于大气高危化学品浓度之比或以及其他能够反映振动幅值与大气高危化学品浓度关系的方法。
具体地，太赫兹辐射属于亚毫米波的范畴，其光子能量和特征温度很低。一个频率为1THz的光子的能量为4.1MeV，对应于33cm-1，其特征温度为48K，低于各种化学键的键能，而电离生物组织所需要的光子能量通常要达到16eV，因此远不能使生物组织或细胞电离，因此不会引起有害的电离反应，适用于爆炸物弥漫和人群密集的场合。
上述基于太赫兹的高危化学品探测的装置和方法，通过太赫兹收发单元实现将产生的太赫兹脉冲进行远距离发送与接收，通过对接收到的太赫兹回波信号进行分析得到高危化学品的信息，实现了对高危化学品的远距离现场探测，从而快速、准确、安全的对高危化学品进行监测预警。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于太赫兹的高危化学品探测装置，其特征在于，所述装置包括太赫兹波产生单元、太赫兹波收发单元、回波分析单元；
所述太赫兹波产生单元用于产生太赫兹探测信号、太赫兹参考信号和太赫兹本振信号，并将所述太赫兹探测信号以及所述太赫兹参考信号发送至太赫兹波收发单元，将所述太赫兹本振信号发送至所述回波分析单元；
所述太赫兹波收发单元用于将所述太赫兹探测信号以及所述太赫兹参考信号发送至待测高危化学品，并接收携带待测高危化学品信息的太赫兹回波信号；
所述回波分析单元用于将所述太赫兹本振信号与所述太赫兹回波信号进行调制分析，得到待测高危化学品的信息。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述太赫兹波产生单元包括数字信号发生模块以及数字转脉冲模块，
所述数字信号发生模块用于产生数字信号，并将所述数字信号发送至所述数字转脉冲模块；
所述数字转脉冲模块用于将所述数字信号转化为太赫兹探测信号、太赫兹参考信号以及太赫兹本振信号。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述太赫兹波收发单元包括收发开关以及格里高利型双偏置反射面天线；
所述收发开关用于控制所述格里高利型双偏置反射面天线发送所述太赫兹探测信号以及太赫兹参考信号，以及用于控制所述格里高利型双偏置反射面天线接收所述太赫兹回波信号。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述收发开关控制所述格里高利型双偏置反射面天线发送所述太赫兹探测信号的过程和所述收发开关控制所述格里高利型双偏置反射面天线接收所述太赫兹回波信号的过程分别进行。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述格里高利型双偏置反射面天线包括主反射面、副反射面以及馈源。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的装置，其特征在于，所述回波分析单元包括探测器和信号处理器，
所述探测器接收所述太赫兹本振信号和所述太赫兹回波信号，并将所述太赫兹本振信号与所述太赫兹回波信号进行调制，得到探测结果；
所述信号处理器接收所述探测结果，并对所述探测结果进行解析处理，得到所述待测高危化学品的种类和浓度。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述探测器包括肖特基二极管混频器。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述探测结果包括待测高危化学品的太赫兹吸收光谱或所述太赫兹回波信号的参数。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括反射单元，所述反射单元用于将所述太赫兹回波信号反射回所述格里高利型双偏置反射面天线。
10.一种基于太赫兹的高危化学品探测方法，其特征在于，所述方法包括：
接收数字信号，将所述数字信号转换为太赫兹探测信号、太赫兹参考信号以及太赫兹本振信号；
将所述太赫兹探测信号及太赫兹参考信号发送至待测高危化学品进行探测，得到太赫兹回波信号；
对所述太赫兹回波信号与所述太赫兹本振信号进行调制分析，得到所述太赫兹吸收光谱的信息；
对所述太赫兹吸收光谱的信息进行解析，得到所述待测高危化学品的种类和浓度信息。
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