CN109799211A - 基于双波长激光遥感的酒驾快速检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双波长激光遥感的酒驾快速检测装置与方法，其中的检测装置包括激光发射装置、激光发射装置控制部分、发射部分、光会聚部分、光探测与信号分析部分和光反射部分，激光发射装置由波长位于酒精和水汽吸收峰内和偏离吸收区域而位于水汽吸收峰内的两支激光器组成；激光发射装置控制部分包括激光驱动控制模块和温度控制模块，发射部分由激光束耦合镜组、扩束镜组成；光反射部分由角反射器组成；光会聚部分由抛物线集光器及D型反射镜组成；探测和信号分析部分由光电探测器和计算机组成。本发明可实现快速行进中车内的酒精含量鉴别，可以减少实时监测中的鉴别误差以及由太阳光等背景因素所带来的背景误差。

Description

基于双波长激光遥感的酒驾快速检测装置与方法

技术领域

本发明涉及酒精浓度技术领域，更为具体地，涉及一种基于双波长激光遥感的酒驾快速检测装置及方法。

背景技术

目前，我国汽车数量正在迅猛发展，在汽车带来方便的同时，道路交通事故带来的人员财产损失也与日俱增，这其中由酒后驾驶带来的交通事故占了很大一部分，由酒后驾驶带来的悲剧每天都在发生。公安交通管理部门也投入了大量的人力物力在重点时间段和地段进行排查，但由于无法判断机动车驾驶人是否饮酒，只能对车辆逐一排查，这样不仅效率低而且还影响了正常的交通。

传统的酒驾检测方法包括血液酒精检测和呼气式酒精检测仪，血液酒精检测其繁琐程度显而易见，呼气式酒精检测仪采用的是电化学原理，可以准确检测气体酒精含量，它的原理是，当具有N型导电性的氧化物暴露在大气中时，会由于氧气的吸附而减少其内部的电子数量，使其电阻增大。其后如果大气中存在某种特定的还原性气体，它将与吸附的氧气反应,从而使氧化物内的电子数增加，导致氧化物电阻减小。半导体-氧化物传感器就是通过该阻值的变化来分析气体浓度。但是这样的检测方法仍然需要停车检查，不适用于远程检测。

目前，已经申请的酒驾遥感测量装置包括201110182035.8、 201110182030.5和201110452350.8均采用单波长测量可疑酒驾者呼出的酒精气体含量，虽然每一种物质具有相应的吸收光谱，但是物质种类众多，某一些物质可能含有相近的分子基团，吸收光谱比较接近，在实时监测中存在鉴别误差。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种基于双波长激光遥感的酒驾快速检测装置及方法，以解决单波长测量存在误差的问题。

本发明提供的基于双波长激光遥感的酒驾快速检测装置，包括：位于道路一侧的激光发射装置、激光发射装置控制部分、发射部分、光会聚部分、光探测与信号分析部分和位于道路另一侧的光反射部分，道路上车辆的内部气体为待测气体；其中，激光发射装置包括两支激光器，其中一支激光器的中心波长为处于酒精和水汽吸收峰内，另一支激光器的中心波长处于水汽吸收峰内；激光发射装置控制部分包括激光驱动控制模块和温度控制模块，激光驱动控制模块通过光纤与两支激光器连接，用于控制两支激光器的偏置电流，温度控制模块通过光纤与两支激光器连接，用于控制两支激光器的温度；发射部分包括激光束耦合镜和扩束镜，激光束耦合镜用于将两支激光器分别发出的不同波长的激光相耦合，扩束镜用于扩展耦合后的激光的直径，经过扩展直径的激光穿过待测气体后射入到光反射部分；光反射部分包括角反射器，用于将扩展直径后的激光反射到光会聚部分；光会聚部分包括抛物线集光器和D型反射镜，D型反射镜相比抛物线集光器更靠近角反射器，经角反射器反射的激光先经抛物线集光器的会聚再经D型反射镜的反射穿过抛物线集光器中间预留的间隙后射入到光探测和信号分析部分；光探测和信号分析部分包括光电探测器和计算机，光电探测器用于接收D型反射镜反射的激光，并转换成电信号后传送至计算机进行数据处理获得待测气体中的酒精浓度。

此外，优选的方案是，两支激光器、抛物线集光器、光电探测器分别位于圆柱形机身内，在圆柱形机身的正上方装有LED光源，LED光源与两支激光器发出的激光的光路相同，用于校准D型反射镜与抛物线集光器之间的相对位置。

另外，优选的方案是，其中一支激光器的中心波长为1392nm，处于酒精和水汽吸收峰内，另一支激光器的中心波长为1410nm，处于水汽吸收峰内。

本发明提供的基于双波长激光遥感的酒驾快速检测方法，包括如下步骤：

步骤S1：通过两支激光器测量在干燥且无水汽无酒精的气体中，得到中心波长为1392nm的激光的透射功率和中心波长为1410nm的激光的透射功率

步骤S2：通过两支激光器测量只含有水汽、不含有酒精的气体时，得到中心波长为1410nm的激光的透射功率值和中心波长为1392nm的激光的透射功率值

步骤S3：再用两支激光器测量含有水汽和酒精气体的不同比例的混合气体时，得到中心波长为1410nm的激光的透射功率值和中心波长为 1392nm的激光的透射功率值

步骤S4：根据光谱吸收叠加原理计算出中心波长为1410nm的激光排除水汽影响后的酒精吸收功率值和中心波长为1392nm的激光排除水汽影响后的酒精吸收功率值其中，

步骤S5：将测试获得的多组值、值保存到计算机中；

步骤S6：将值、值取对数后进行数据拟合，建立酒精浓度与值、值一一对应的映射关系，并存储在数据库中；其中，值、值取对数后为

步骤S6：在汽车通过前测量一组在汽车通过时测量一组 计算得到值和值；

步骤S7：根据值和值及数据库中的映射关系，获得待测气体中所含的酒精浓度，进而判断是否属于酒驾。

利用上述本发明的基于双波长激光遥感的酒驾快速检测装置及方法，采用双波长进行检测，实现快速行进中车内的酒精含量鉴别，可以减少实时监测中的鉴别误差以及由太阳光等背景因素所带来的背景误差。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的基于双波长激光遥感的酒驾快速检测装置的结构示意图。

其中的附图标记包括：计算机1、激光驱动控制模块2、温度控制模块3、激光束耦合镜4、LED光源5、机箱6、角反射器7、光电探测器8、激光器9、抛物线集光器10、D型反射镜11、扩束镜12。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

图1示出了根据本发明实施例的基于双波长激光遥感的酒驾快速检测装置的结构。

如图1所示，本发明实施例提供的基于双波长激光遥感的酒驾快速检测装置包括：位于道路一侧且位于机箱6内的激光发射装置、激光发射装置控制部分、发射部分、光会聚部分、光探测与信号分析部分和位于道路另一侧的光反射部分，道路上车辆的内部气体为待测气体；其中，激光发射装置为两支激光器9，激光器9可以是法珀激光器、分布反馈式半导体激光器、分布布喇格反射激光器、垂直腔表面发射激光器和外腔调谐半导体激光器中的任意一种，其中一支激光器9的中心波长为1392nm，处于酒精和水汽吸收峰内，另一支激光器的中心波长为1410nm，处于水汽吸收峰内，且不受大气中其他物质的影响。

激光发射装置控制部分包括激光驱动控制模块2和温度控制模块3，激光驱动控制模块2通过光纤与两支激光器连接，用于控制两支激光器9的偏置电流，温度控制模块3通过光纤与两支激光器9连接，用于控制两支激光器的温度，通过激光驱动控制模块2和温度控制模块3对激光器9产生的激光进行波长调制，调制信号为锯齿波和正弦波的叠加信号，锯齿波通过改变激光器注入电流的方式使激光的输出波长调谐在中心波长为1392nm和1410nm，然后传输到两支激光器9发射出激光。

发射部分包括激光束耦合镜4和扩束镜12，激光束耦合镜4由两个直角棱镜组成，用于将两支激光器分别发出的不同波长的激光相耦合；扩束镜12 用于扩展耦合后的激光的直径，两支激光器9分别位于激光束耦合镜4的两侧。

光反射部分包括角反射器7，用于将扩展直径后的激光反射到光会聚部分，角反射器7由两块形成90度直角的平面镜构成。

光会聚部分包括抛物线集光器10和D型反射镜11，D型反射镜相比抛物线集光器更靠近角反射器7，经角反射器反射的激光先经抛物线集光器10 的会聚再经D型反射镜11的反射穿过抛物线集光器10中间预留的间隙后射入到光探测和信号分析部分。

光探测和信号分析部分包括光电探测器8和计算机1，光电探测器8用于接收D型反射镜11反射的激光，并转换成电信号后传送至计算机1进行数据处理获得待测气体中的酒精浓度。

两支激光器9、抛物线集光器10、光电探测器8均位于直径为170mm的圆柱形机身内。

两支激光器9发出的激光的光路为：先经激光束耦合镜4耦合再经扩束镜12扩展直径，然后穿过待测气体射入到角反射器7，经角反射器7的二次反射后在抛物线集光器10会集，然后经D型反射镜11，从抛物线集光器10 中间预留的间隙穿过后最终进入光电探测器8。

酒精气体只对中心波长为1392nm的激光产生一个吸收光谱，而水汽对中心波长为1410nm和1392nm的激光都会产生吸收光谱。

为了保证激光能够从抛物线集光器10中间预留的间隙穿过，在圆柱形机身的正上方装有LED光源5，LED光源5与两支激光器9发出的激光的光路相同，用于校准D型反射镜11与抛物线集光器10之间的相对位置，保证激光能够从抛物线集光器10中间预留的间隙穿过，被光电探测器8接收。

上述内容详细说明了本发明提供的基于双波长激光遥感的酒驾快速检测装置的结构，与上述装置相对应，本发明还提供一种基于双波长激光遥感的酒驾快速检测方法，该方法包括如下步骤：

步骤S1：通过两支激光器测量在干燥且无水汽无酒精的气体中，得到中心波长为1392nm的激光的透射功率和中心波长为1410nm的激光的透射功率

步骤S2：通过两支激光器测量只含有水汽、不含有酒精的气体时，得到中心波长为1410nm的激光的透射功率值和中心波长为1392nm的激光的透射功率值

步骤S3：再用两支激光器测量含有水汽和酒精气体的不同比例的混合气体时，得到中心波长为1410nm的激光的透射功率值和中心波长为 1392nm的激光的透射功率值

步骤S4：根据光谱吸收叠加原理计算出中心波长为1410nm的激光排除水汽影响后的酒精吸收功率值和中心波长为1392nm的激光排除水汽影响后的酒精吸收功率值其中，

步骤S5：将测试获得的多组值、值保存到计算机中。

步骤S6：将值、值取对数后进行数据拟合，建立酒精浓度与值、值一一对应的映射关系，并存储在数据库中；其中，值、值取对数后为

酒精浓度与酒精吸收功率值的映射关系如下表所示：

步骤S6：在汽车通过前测量一组在汽车通过时测量一组 计算得到值和值。

步骤S7：根据值和值及数据库中的映射关系，获得待测气体中所含的酒精浓度，进而判断是否属于酒驾。

本发明所应用的TDLAS原理，是通过检测气体透射光强的变化来检测气体的浓度。这种技术有较高的灵敏度和较高的分辨率，使用指标可以做到ppm 量级。又由于可调谐的激光二极管体积小，能够测量较长的光程距离，且信噪比高，特别是窄线宽和稳定的输出，使其比起以往系统有更快的响应时间。只需使激光光束通过待测区域，光源和探测器的高频调制使得测量可以快速完成，使用者可以根据显示结果快速给出判断。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于双波长激光遥感的酒驾快速检测装置，其特征在于，包括：位于道路一侧的激光发射装置、激光发射装置控制部分、发射部分、光会聚部分、光探测与信号分析部分和位于所述道路另一侧的光反射部分，道路上车辆的内部气体为待测气体；其中，

所述激光发射装置包括两支激光器，其中一支激光器的中心波长为处于酒精和水汽吸收峰内，另一支激光器的中心波长处于水汽吸收峰内；

所述激光发射装置控制部分包括激光驱动控制模块和温度控制模块，所述激光驱动控制模块通过光纤与两支激光器连接，用于控制两支激光器的偏置电流，所述温度控制模块通过光纤与两支激光器连接，用于控制两支激光器的温度；

所述发射部分包括激光束耦合镜和扩束镜，所述激光束耦合镜用于将两支激光器分别发出的不同波长的激光相耦合，所述扩束镜用于扩展耦合后的激光的直径，经过扩展直径的激光穿过所述待测气体后射入到所述光反射部分；

所述光反射部分包括角反射器，用于将扩展直径后的激光反射到所述光会聚部分；

所述光会聚部分包括抛物线集光器和D型反射镜，所述D型反射镜相比所述抛物线集光器更靠近所述角反射器，经所述角反射器反射的激光先经所述抛物线集光器的会聚再经所述D型反射镜的反射穿过所述抛物线集光器中间预留的间隙后射入到所述光探测和信号分析部分；

所述光探测和信号分析部分包括光电探测器和计算机，所述光电探测器用于接收所述D型反射镜反射的激光，并转换成电信号后传送至所述计算机进行数据处理获得所述待测气体中的酒精浓度。

2.如权利要求1所述的基于双波长激光遥感的酒驾快速检测装置，其特征在于，两支激光器、所述抛物线集光器、所述光电探测器分别位于圆柱形机身内，在所述圆柱形机身的正上方装有LED光源，所述LED光源与两支激光器发出的激光的光路相同，用于校准所述D型反射镜与所述抛物线集光器之间的相对位置。

3.如权利要求2所述的基于双波长激光遥感的酒驾快速检测装置，其特征在于，其中一支激光器的中心波长为1392nm，处于酒精和水汽吸收峰内，另一支激光器的中心波长为1410nm，处于水汽吸收峰内。

4.一种基于双波长激光遥感的酒驾快速检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：通过两支激光器测量在干燥且无水汽无酒精的气体中，得到中心波长为1392nm的激光的透射功率和中心波长为1410nm的激光的透射功率

步骤S2：通过两支激光器测量只含有水汽、不含有酒精的气体时，得到中心波长为1410nm的激光的透射功率值和中心波长为1392nm的激光的透射功率值

步骤S3：再用两支激光器测量含有水汽和酒精气体的不同比例的混合气体时，得到中心波长为1410nm的激光的透射功率值和中心波长为1392nm的激光的透射功率值

步骤S4：根据光谱吸收叠加原理计算出中心波长为1410nm的激光排除水汽影响后的酒精吸收功率值和中心波长为1392nm的激光排除水汽影响后的酒精吸收功率值其中，

步骤S5：将测试获得的多组值、值保存到计算机中；

步骤S6：将值、值取对数后进行数据拟合，建立酒精浓度与值、值一一对应的映射关系，并存储在数据库中；其中，值、值取对数后为

步骤S6：在汽车通过前测量一组在汽车通过时测量一组 计算得到值和值；

步骤S7：根据值和值及所述数据库中的映射关系，获得待测气体中所含的酒精浓度，进而判断是否属于酒驾。