CN110220596A - 远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪 - Google Patents

远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及拉曼光谱技术领域，公开了一种远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪，包括紫外激光器、样品扫描系统、物镜、中继光学系统、第一分束器、激光照相机、第二分束器、拉曼透镜、点转线光纤束、成谱系统、闸控电路或距离选通同步控制电路、数据处理和无线收发系统、红外照相机；物镜为望远镜；第一分束器用于反激光和绿光，透红外光和拉曼光，激光和绿光成像到激光照相机上；第二分束器用于反拉曼光透红外光，红外光成像到红外照相机上，拉曼光经拉曼透镜成像到点转线光纤束上。本发明可以将激光、拉曼、红外三通道点对点精确融合，在看清激光照明点和光轴、显示目标热象和温度的同时，测出目标是什么物质。

Description

远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪
技术领域
本发明涉及拉曼光谱技术领域，尤其涉及了一种远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪。
背景技术
根据政府调查报告，天津大爆炸主要是由于某些集装箱和危险品仓库内的硝化棉因湿润剂散失产生局部干燥,在高温天气下自燃爆炸引起的，然后再引爆其它危险品。根据2014年当地环保局验收文件及爆炸后调查，仓库存有800吨硝酸铵，600吨氰化钠，290吨硝化棉以及电石、硅钙合金和甲苯二异氰酸酯等危险品。因氰化钠遇水会产生剧毒氰化氢气体，电石遇水会爆炸，硝酸铵受热也会爆炸,硅钙合金遇水则会产生氢气，与空气中的氧气结合就会产生氢氧大爆炸。因此，消防员在未搞清楚起火原因的情况下就用水灭火，产生氢氧大爆炸，一次就炸死99名消防员。
目前，对化工园区污染的监控是在大烟囱中设抽气管，然后用气相色谱、液相色谱和质谱联用，离子迁引，远红外吸收光谱仪，近红外吸收光谱仪和气体探测器对化工生产过程进行检测。但是上述设备只能作极近距离的抽样检测，不能作哪怕是只离开几公分的不接触测量，当然对遥测化工园区上方的空气污染及雾霾毫无办法，对大烟囱不抽气作遥测也毫无办法，如果工厂要蒙混过关只要在抽气管中加点新鲜空气就能达标。因此，需要研发一种能在工厂外面对大烟囱上方的气体和微粒、工厂内部车间洩漏的气体和微粒、方圆1-2公里的化工园区上空污染的气体和微粒、城市上空的雾霾气体和微粒、以及集装箱久放散发出来的和打开时释放出来的气体作实时遥测的仪器。
此外，天津大爆炸发生后，政府动用大量人力物力把各处泥土挖起来送到实验室分析，不仅浪费时间也浪费劳动力。因此，还需要一种能够在实验室外就能遥测污染物的仪器，这种仪器就是远程紫外拉曼光谱仪。
拉曼光谱(Raman spectra)是一种散射光谱，当光碰到物质时，被分子散射的光由于获取或损失能量会发生频率变化，测出这种频率变化或拉曼光谱就能测定物质的性质，并且物质的拉曼光谱是唯一的，不隨激发波长和环境变化，十分准确，因此测出拉曼谱等于找到了物质的手指印。但是拉曼光谱由于是散射光谱不是吸收光谱其灵敏度不高，若被测物质的散射截面在10-30(cm2/melecule.srd)以下往往探测不到，因此现有的近红外和可见光拉曼光谱仪只能探测到眼睛看得见的毫克级的物质，对于眼睛看不见的微量物质则无法探测。对于可见光和近红外拉曼，由于不能将荧光分开，受到干扰，使信噪比更低；并且可见光、近红外激光会透过眼球损坏视网膜，并非拉曼光谱仪探测光源的理想选择。另外，如果受野外(太阳光等)或者室内环境光(灯光等)的干扰也不能使用。即使想使用，也必须将物体取样放在遮光观察腔体内或把物体罩在观察腔体内才能测量，对距离较远或无法遮光的物体就无法测量。此外，目前的拉曼光谱仪大多采用显微镜结构，距离短，时间长，体积大，费用高，无法对大气污染作遥测。总之，现有的近红外和可见光拉曼光谱仪存在以下缺点必须克服：
(1)灵敏度太低，只能探测毫克级的物质；
(2)拉曼无共振效应，无法大幅度提高灵敏度；
(3)拉曼与荧光重叠，光谱分不开，信噪比降低，有时甚至无法测量；
(4)无激光成像通道，看不到系统光轴，校准困难，并且目标难于观察和定位；
(5)显微镜结构，探测距离太近，只有几毫米，无法作远距离探测；
(6)探测点太小，只有几微米，要很长时间去扫描整个目标；
(7)需要将目标人工采样放在显微镜下才能测量，无法作现场不接触分析；
(8)容易受阳光和环境光干扰，无法作不屏蔽测量；
(9)近红外和可见激光容易损坏操作人员的视网膜致盲。
目前，本发明人申请的专利申请号为201510732707.6的发明专利，公开了一种三通道近紫外拉曼光谱仪，可以实现拉曼、荧光、可见或激光三通道点对点实时融合，但不能探测红外光，无法遥测物质的温度及温度异常情况，预防危险的发生，而且不适用于遥测远距离的物质。
发明内容
本发明针对现有的拉曼光谱仪无法对目标测温和无法对大气污染作遥测的缺点，提供了一种远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪，包括紫外激光器、样品扫描系统、物镜、中继光学系统、第一分束器、激光照相机、第二分束器、拉曼透镜、点转线光纤束、成谱系统、闸控电路或距离选通同步控制电路、数据处理和无线收发系统、红外照相机；
紫外激光器发射激光，激光经样品扫描系统反射后，照射到样品上；
样品扫描系统包括二维光学扫描或者机械扫描，样品扫描系统用于对整个样品逐点取谱；
物镜为望远镜，用于会聚样品散射的光；
中继光学系统用于将物镜的会聚光准直成平行光，中继光学系统为中继透镜，由于物镜的焦点随被探测样品的距离变化而发生变化，因此，中继透镜也要随焦点的变化而移动；
在激光通道中，第一分束器用于反激光和绿光，透红外光和拉曼光，激光和绿光成像到激光照相机上，这对看到样品上的扫描点和使各分系统对准光轴十分重要；
在红外光通道中，第二分束器用于反拉曼光透红外光，红外光成像到红外照相机上，在拉曼光通道中，拉曼光经拉曼透镜成像到点转线光纤束上，再到成谱系统；红外通道中由于没有狭缝，目标与红外焦平面是物象关系，因此，红外照相机可以看到和测出物镜整个视场内的目标发出的热量和温度或红外光，区域可以比激光照明的区域更大；
点转线光纤束用于将拉曼光转换成与成谱系统数值孔径相匹配的狭缝的形状，点转线光纤束的光纤直径和根数由拉曼光点大小、狭缝宽度和垂直方向的CCD尺寸决定；
闸控电路或距离选通同步控制电路设在紫外激光器和成谱系统之间，用于控制激光飞行距离和成谱系统开门时间，用于分层测量；成谱系统包括探测器，闸控电路或距离选通同步控制电路可以用激光测量目标距离，控制激光飞行距离和时间，控制探测器开门时间，以便透过云雾和中间介质分层测出化工排放和雾霾粒子的大小和性质；
数据处理系统与成谱系统连接，用于将激光、拉曼光和红外光三通道点对点实时融合，作光谱显示、平滑去噪、基线拉平、叠谱分离、波峰定位、谱库建立和物质识别处理；
还包括云，无线收发系统包括GPS定位系统和无线收发器，GPS定位系统用于定位，无线收发器用于无线传输数据，无线收发器与云相连。
作为优选，紫外激光器发射激光，激光经样品扫描系统反射后，照射到样品上；样品散射的光，经物镜会聚后，再用中继光学系统准直成平行光；平行光中的激光和绿光经第一分束器反射后，成像到激光照相机上，平行光中的红外光和拉曼光镜从第一分束器透过进入第二分束器；第二分束器透红外光反拉曼光，红外光成像到红外照相机上，拉曼光经拉曼透镜成像到点转线光纤束上；拉曼光经点转线光纤束转换成与成谱系统数值孔径相匹配的狭缝的形状后，在成谱系统中出谱成像；数据处理系统将激光、红外光和拉曼光三通道点对点实时融合以及作数据处理，数据处理包括光谱显示、平滑去噪、基线拉平、叠谱分离、波峰定位、谱库建立和物质识别处理；无线收发系统用于将数据传输到云；闸控电路或距离选通同步控制电路控制激光飞行距离和成谱系统开门时间，以作分层测量。
作为优选，紫外激光器发射的激光波长为200～270nm，是日盲区，仪器可在阳光下使用。此时，激光不会透过眼球，从而不会损坏视网膜，对眼睛相对安全。拉曼光波长取决于紫外激光器，对于波长为266nm的激光，拉曼光谱范围可以取268～304nm；红外光波长为800～1400nm。
作为优选，紫外激光器和物镜之间设有扩束准直镜，紫外激光器发射的激光经扩束准直镜扩束成平行光后进入样品扫描系统。
作为优选，还包括移动平台；中继光学系统、第一分束器、激光照相机、第二分束器、拉曼透镜、红外照相机和点转线光纤束一端设置在移动平台上，随移动平台的移动而移动。中继光学系统的直径和焦距可以根据需要更动，由于中继光学系统的位置要根据目标远近作变化以便调焦，但是各分系统之间的相对位置不能改变，因此，本申请将其共同放置在一个移动平台上。此时，当目标从200m变为1000m时，只需将移动平台移动64mm。移动平台的移动可以用步进电机驱动。
作为优选，激光照相机与第一分束器之间以及红外照相机和第二分束器之间设有或不设有透镜，当激光照相机和红外照相机本身分别设有镜头时，激光照相机与第一分束器之间以及红外照相机和第二分束器之间不设有透镜；反之则设有透镜，激光和绿光经透镜成像到激光照相机上，红外光经透镜成像到红外照相机上。
作为优选，成谱系统可以有三种形式：(1)采用光栅或棱镜作色散，用面阵紫外增强CCD或CMOS出谱或既出谱又成像；(2)采用可调谐滤光片作色散，用单个或多个光电二极管PD、光电倍增管PMT或雪崩二极管APD出谱，可调谐滤光片为声光可调谐滤光片或液晶可调谐滤光片；(3)采用光栅或棱镜作色散，用紫外成像ICCD既出谱又成像。
作为优选，紫外成象ICCD为光电倍增管与面阵紫外CCD通过光纤束或者光锥连接。
作为优选，第二分束器和拉曼透镜之间设有长通滤光片组，长通滤光片组包括两个长通滤光片，两个长通滤光片之间形成夹角，该夹角不仅可以防止标准具效应，还可以探测更低波数，这是因为有角度时透过光线向短波方向移动。
作为优选，数据处理系统还包括嵌入式软硬件，嵌入式软硬件用于对激光、拉曼光和红外光三通道进行数据处理。
本发明的原理如下：
拉曼信号的强度由下式决定：
I＝CNI0σΩSF(T) (1)
式中，I是拉曼光强，C是常数，N是分子数量密度，I0是入射光强，σ是有效拉曼散射截面积，Ω是接收孔径收集的拉曼散射立体角，S是接收孔径对应的激光有效照射面积，F(T)是表征温度对观测物、激光和接收系统影响的一个函数。对于固定的激光功率和被测物质来说，可以利用的参数一般只有σ、Ω和S三个。
对于特定物质，σ只与激光频率有关，σ和入射激光频率的关系由下式确定：
式中，σmn(υ0))为某分子在能级从m向n态跳转时，对入射频率为υ0的激光的有效拉曼散射截面积，υmn是该分子的拉曼频移。该公式指出：拉曼散射截面积σmn(υ0))与激光频率υ0的4次方成正比或与波长λ0的4次方成反比，因此激光波长越短，拉曼散射越强。若我们选用λ0＝266nm的紫外激光，与λ0＝785nm的激光相比，拉曼散射截面可增大76倍，这也就是本发明选用紫外激光的原因之一。此外，紫外拉曼与荧光分离不受影响，在266nm日盲区也没有太阳光和环境光的干扰，可以在野外阳光下作不屏蔽测量，紫外激光也不能穿透眼球到达视网膜致盲。
短波长效应除增大拉曼散射截面外，还有使增益更大的共振效应。当入射光频率υ0接近分子能级跳动的共振频率υe时，υe 2-υ0 2趋向零，拉曼散射会急剧增大，发生共振，达106，我们用229nm激光做实验的结果表明：绝大多数物质的拉曼散射截面都可以增加1000倍以上。因为υe很高，这只有在λ<270nm的紫外区才能发生，在近红外与可见光区均不能发生，这也是本发明选用波长为200～270nm的紫外激光的另一个原因。
实验证明，上述两项效应均可使紫外拉曼光谱仪的灵敏度比近红外拉曼光谱仪提高10000倍，使远程拉曼光谱仪遥测大气污染物成为可能。
但是，由于远程拉曼要测的物质远在1-2公里左右，即使用口径16”或400mm的天文望远镜作接收器，接收孔径收集的拉曼散射立体角Ω仍很小。因此，本发明需要增大光谱仪的光通量来弥补。
目前，为便于把接收的拉曼光点与狭缝配准，拉曼光谱仪通常使用一根光纤把大约直径为1mm的光点引到宽度为0.1mm或0.05mm的狭缝上，这样宝贵的拉曼光就被挡掉了90％以上。
为解决此问题，本申请不用单根光纤，而是改用把点转线光纤束，把1mm的圆光点变成由68根0.1mm光纤或136根0.05mm光纤重排成的线光纤束，它使拉曼光全部通过宽为0.1mm或0.05mm，高为6.8mm的狭缝。该狭缝1:1成象在1024×256个象元的ICCD上，因象元大小为26.5μ，ICCD垂直方向的线度刚好是6.8mm，拉曼光全部被ICCD所接收。通过狭缝水平宽为0.1mm或0.05mm的光由光栅色散出拉曼光谱，垂直方向的光由256个ICCD象元作积累，使信噪比增加2561/2＝16倍。因此，使用点转线光纤束和ICCD的增益至少可把远程拉曼接收立体角Ω很小的缺点抵消掉。
S是接收孔径对应的激光有效照射面积，要加大照射面积但仍能激发拉曼的直接办法是增加激光的功率。但当激光和距离选定后，其实S也就定了，无法改变。因此，使用点转线光纤束的266nm紫外拉曼，即使是测几百米甚至是上千米外的物质，其灵敏度仍可比785nm近红外拉曼测同样的距离高1万倍，并且近红外拉曼根本不可能作遥测，只有本发明才能使远程测量大气污染物的性质成为可能。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
本发明的远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪可以将激光、拉曼、红外三通道点对点精确融合，在看清激光照明点和光轴、显示目标热象和温度的同时，测出目标是什么物质。该远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪灵敏度高，照明点大，探测距离远，分辨率高，可透过烟尘、云雾、高温/低温、高压、有仿射性、有毒区域现场探测和识别1-2公里外的气体、液体和固体物质，可走出实验室，在阳光下作不屏蔽不接触现场测量，并且对眼睛相对安全。
若用本发明的远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪对天津发生大爆炸的危险品仓库进行监控，红外通道可以在爆炸发生前对硝化棉温度异常作出警报，拉曼通道可以测出泄露的物质，这样就可以提前告知消防员不能采用浇水的方式灭火，从而大爆炸就可以避免。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图。
图2是第一分束器的透过率曲线图。
图3是实施例1中点转线光纤束的原理图。
图4(A)是椭圆形激光照明点的拉曼象点；图4(B)是点转线光纤束的像。
图5是实施例1对目标在1000m为距离时的光线追迹图。
图6是实施例1对目标在500m为距离时的光线追迹图。
图7是实施例1对目标在200m为距离时的光线追迹图。
图8是实施例1对目标在100m为距离时的光线追迹图。
图9是实施例3与对比例1在1000m外测得的特氟龙的拉曼谱图。
图10是实施例3在533m处测得的正己烷和掺杂1％CS2的环己烷的拉曼谱图。
图11是实施例4的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪，如图1所示，包括紫外激光器10、样品扫描系统、物镜、中继光学系统90、第一分束器100、激光照相机、第二分束器130、拉曼透镜150、点转线光纤束160、成谱系统190、闸控电路210、数据处理系统220和无线收发系统、红外照相机；
紫外激光器10发射激光20，激光20经样品扫描系统反射后，照射到样品上；
样品扫描系统包括二维光学扫描，二维光学扫描包括两块反射镜，第二块反射镜50设置在物镜背面，第二块反射镜50全反激光，样品扫描系统用于对整个样品逐点取谱；
物镜为卡塞格伦望远镜，包括主镜70和次镜80，用于会聚样品散射的光，主镜70和次镜80之间的自由空间透过所有的光，包括激光、拉曼光和样品发出的远红外光；
中继光学系统90用于将物镜的会聚光准直成平行光，中继光学系统90为中继透镜；
在激光通道中，第一分束器100用于反激光和绿光，透红外光和拉曼光，激光和绿光成像到激光照相机上；
在红外光通道中，第二分束器130用于反拉曼光透红外光，红外光成像到红外照相机上，在拉曼光通道中，拉曼光经拉曼透镜150成像到点转线光纤束160上；
点转线光纤束160用于将拉曼光转换成与成谱系统数值孔径相匹配的狭缝的形状；
闸控电路210设在紫外激光器10和成谱系统190之间，用于控制激光飞行距离和探测器开门时间，用于分层测量；闸控制电路210可以用激光测量目标距离，控制激光飞行距离和时间，控制探测器开门时间，以便透过云雾和中间介质分层测出化工排放和雾霾粒子的大小和性质；
数据处理系统220与成谱系统190连接，用于将激光、拉曼光和红外光三通道点对点实时融合，作光谱显示、平滑去噪、基线拉平、叠谱分离、波峰定位、谱库建立和物质识别处理；
还包括云，无线收发系统与数据处理系统信号连接，无线收发系统还包括GPS定位系统和无线收发器，GPS定位系统用于定位，无线收发器用于无线传输数据，无线收发器与云相连。
紫外激光器10发射的激光波长为266nm，是日盲区，仪器可在阳光下使用。拉曼光谱范围可以取268～304nm；红外光波长为800～1400nm。
紫外激光器10和样品扫描系统之间设有扩束准直镜30。
还包括移动平台，中继光学系统90、第一分束器100、激光照相机、第二分束器130、拉曼透镜150、红外照相机和点转线光纤束160一端设置在移动平台上，随移动平台的移动而移动。
激光照相机与第一分束器100之间设有激光透镜110，红外照相机和第二分束器130之间设有红外透镜230。
成谱系统190采用光栅作色散，用紫外成像ICCD 200既出谱又成像，探测器为紫外成象ICCD 200。
紫外成象ICCD 200为光电倍增管与面阵紫外CCD通过光纤束连接。
第二分束器130和拉曼透镜150之间设有长通滤光片组140，长通滤光片组140包括两个长通滤光片，两个长通滤光片之间形成夹角。
数据处理系统220包括嵌入式软硬件，嵌入式软硬件用于对激光、拉曼光和红外光三通道进行数据处理，数据处理系统220为笔记本。
本实施例的远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪具体工作方式如下：
脉冲能量为200mJ，脉冲宽度为8-10ns@1064nm，重复频率为10Hz，平均功率为2W，光点大小为11mm，发散角0.6mrad的激光10发射出波长为266nm的激光20，经扩束倍率为5×的扩束准直镜30扩束，得到扩束准直后的紫外激光。虽然直径扩大为55mm，但是发散角减小到0.12mrad，因此，在1000m之外的光斑直径仅为120mm，否则为600mm。
扩束准直后的激光由第一块反射镜40反射到装在物镜的次镜80背面的第二块反射镜50，然后射向远处的目标60去激发拉曼。从目标反射的激光、散射的拉曼光以及目标自身发射的红外光被物镜的主镜70收集，再反射到次镜80。主镜70为抛物面，平行于光轴的光会聚于焦点O1，次镜80为双曲面，O1、O2是双曲面的两个焦点，根据双曲面的性质，射向O1的光经次镜80反射后会聚于O2，因比，平行光经物镜反射后会聚于O2，O2为物镜的焦点，或为远处目标(例如1000m外)的象点。
根据几何关系，不难得出：
f＝f0f2/f1 (3)
式中，f为物镜的焦距，f0为主镜的焦距，f2为次镜的后焦距，f1为次镜的前焦距。
为了能至少测得1000m外的物质的拉曼光谱，本实施例选用直径为16”
＝406.4mm的主镜70，f0＝800mm(焦点离主镜顶点距离)，中心孔直径75mm；次镜80的直径为70mm，f1＝115mm(前焦点离次镜顶点距离)，f2＝575mm(后焦点离次镜顶点距离)。因此，根据式(3)，不难求得物镜的焦距f＝4000mm，物镜的F数为F＝4000/406.4≈10。
如果目标不在无穷远或很远(例如1千米)，射到物镜后与光轴的交点就不再是O1和O2，而是O1’和O2’，有限远目标的象点O2’与无限远目标的象点O2之间的距离为Δ，Δ随目标的远近变化，根据几何关系，不难得出：
Δ＝f2/d (4)
式中，d为目标到O2的距离。
被物镜收集的光被焦距为fR的中继透镜90准直成平行光射向第一分束器100，第一分束器100为长通分束器，准直光透过厚度为1mm的第一分束器100后，光轴有微小偏移约0.3mm。如图2所示，它全反激光和绿光(对看见目标反射的可见绿光有好处)，全透拉曼光和红外光。激光由激光透镜110成象在激光照相机的焦平面120上，若是有镜头的激光照相机，激光透镜可以不要。
拉曼光和红外光在遇到第二分束器130时(光轴也有微小偏移)，全反拉曼光全透红外光，第二分束器130为长通分束器。拉曼光经二个长通滤光片140(两片之间的夹角为3°)滤去剩余的激光后，被拉曼透镜150会聚到点转线光纤束160的圆形头部170，光纤的根数由拉曼光点的大小和光纤的直径决定。由于目标较远，物镜象差较小，拉曼光点不大，小于1mm。因此，本实施例选光纤的直径为50μ(不计包层)，根数为19根，点转线光纤束160的尾端被排成0.05mm×1mm(计包层)的直线紧贴在狭缝180上，或不用狭缝直接把点转线光纤束160尾端当作狭缝使用。
成谱系统190包括单色仪190，透过狭缝180的光进入单色仪190，它的F数与点转线光纤束160匹配，被色散的拉曼光被1024×128元的象元大小为13.5μ的紫外成象ICCD 200所接收，输出信号经闸控电路210与笔记本220和激光器10相连，以便对激光的飞行和紫外成象ICCD 200的开门作闸控。
透过第二分束器130的红外光由红外透镜230成象到红外照相机的焦平面240上，若是有镜头的红外照相机，红外透镜可以不要。
目标从1000m变到200m，中继光学系统90要移动64mm，因目标不在无穷远时，中继光学系统90射出的不再是严格的平行光，后面的拉曼透镜150(在本实施例中取D＝12.7mm，f＝50mm，F＝4，以便与后面的F＝4的单色仪190相匹配)会聚的光斑大小和位置都会有微小变化。根据简单计算，点转线光纤束160的头部大约要移动0.9mm左右，虽然激光相机和红外照相机是成像系统，象点差0.9mm，不移动相机也关系不大，但点转线光纤束160的头部不移动对信号有一定影响。因拉曼信号很弱，移动点转线光纤束160的头部不大方便，要精确移动也不容易，为此本实施例将图1中虚线框内的各分系统(包括中继光学系统90、第一分束器100、第二分束器130、激光透镜110、激光照相机、红外透镜230、红外照相机、两个长通滤光片140、拉曼透镜150以及点转线光纤束160的头部)放置在移动平台上，使其随被探测目标的远近移动。
由于激光可测距，被测目标的距离是可以正确知道的，因此闸控的距离也是可以正确设定的，这样我们就可以开门1-2ns分层测出100m，110m，150m，200m，300m，500m，700m，1000m处的雾霾粒子的大小(用激光后向散射)和性质(用激光拉曼散射)。
本实施例不仅可以把远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪装在化工园区上空，用拉曼通道实时监控有毒有害气体的排放及时报警，还可以用红外通道测量危险品仓库、集装箱和车间的温度异常及时扱警，这样前述的天津大爆炸就不可能发生。此外，还可以将该拉曼光谱仪装在小面包车上，在工厂外面直接遥测大烟囱排放，使工厂无法知道，从而工厂不能对测得的数据弄虚作假。
实施例2
利用实施例1的远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪对不同距离(1000，500，200，100m)外的目标，在不同视场(光轴上和偏离光轴分别为30mm和50mm)时，作光线追迹，结果分别如图5-8所示。
由图5可知，当目标在1000m外时，象差很小，光斑圆而小；由图6可知，当目标在500m外时，象差仍较小，光斑也仍呈圆形；由图7可知，当目标在200m外时，象差还可以，在光轴上和偏离光轴30mm时的视场下，光斑呈圆形，但在偏离光轴50mm的视场下，光斑呈椭圆形；由图8可知，当目标在100m外时，象差较大，在光轴上时，光斑仍呈圆形，但当在偏离光轴30mm和50mm的视场下，光斑呈椭圆形，长通滤光片不能完全阻挡激光。因此，实施例1的拉曼光谱仪不适合在目标近于120m时使用。
实施例3
同实施例1，所不同的是本实施例中物镜的口径为12”，平均功率为1w，波长为266nm的激光。
对比例1
同实施例3，所不同的是本对比例中激光的波长为1064nm。
利用实施例3和对比例1的拉曼光谱仪测量533m外的特氟龙的拉曼谱图，得到的结果如图9所示，其中，图9(A)为对比例2的拉曼谱图；图9(B)为实施例2的拉曼谱图。
由图9可知，由于实施例2的拉曼光谱仪选用波长为266nm的紫外激光，具有共振效应，使得信号较非紫外激光的对比例2增强了至少10000倍。
为进一步说明实施例2的拉曼光谱仪的可行性，对在533m外的掺杂1％CS2的环己烷进行了测量，结果如图10所示。由图10可知，CS2的信号较强，能够明显检测出环己烷中掺杂的CS2的存在。
实施例4
同实施例1，所不同的是本实施例中，如图11所示，紫外激光器10和样品扫描系统之间不设扩束准直镜；成谱系统采用棱镜作色散，用CMOS既出谱又成像；在紫外激光器和成谱系统之间设有的电路为距离选通同步控制电路，本实施例采用距离选通同步控制电路210。
紫外激光器10发射激光20，激光20经样品扫描系统反射后，照射到样品上；样品散射的光，经物镜会聚后，再用中继光学系统90准直成平行光；平行光中的激光和绿光经第一分束器100反射后，成像到激光照相机120上，平行光中的红外光和拉曼光镜从第一分束器100透过进入第二分束器130；第二分束器130透红外光反拉曼光，红外光成像到红外照相机240上，拉曼光经拉曼透镜150成像到点转线光纤束160上；拉曼光经点转线光纤束160转换成与成谱系统数值孔径相匹配的狭缝的形状后，在成谱系统190中出谱成像；数据处理系统220将激光、红外光和拉曼光三通道点对点实时融合以及作数据处理，数据处理包括光谱显示、平滑去噪、基线拉平、叠谱分离、波峰定位、谱库建立和物质识别处理；无线收发系统用于传输数据；距离选通同步控制电路210控制激光飞行距离和成谱系统190开门时间，以作分层测量。
实施例5
同实施例1，所不同的是本实施例中，成谱系统190采用可调谐滤光片作色散，用光电二极管出谱，可调谐滤光片为声光可调谐滤光片。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (10)

1.远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪，其特征在于：包括紫外激光器、样品扫描系统、物镜、中继光学系统、第一分束器、激光照相机、第二分束器、拉曼透镜、点转线光纤束、成谱系统、闸控电路或距离选通同步控制电路、数据处理系统和无线收发系统、红外照相机；
样品扫描系统包括二维光学扫描或者机械扫描，样品扫描系统用于对整个样品逐点取谱；
物镜为望远镜，用于会聚样品散射的光；
中继光学系统用于将物镜的会聚光准直成平行光；
第一分束器用于反激光和绿光，透红外光和拉曼光，激光和绿光成像到激光照相机上；
第二分束器用于反拉曼光透红外光，红外光成像到红外照相机上，拉曼光经拉曼透镜成像到点转线光纤束上；
点转线光纤束用于将拉曼光转换成与成谱系统数值孔径相匹配的狭缝的形状；
闸控电路或距离选通同步控制电路设在紫外激光器和成谱系统之间，用于控制激光飞行距离和成谱系统开门时间，以作分层测量；
数据处理系统与成谱系统连接，用于将激光、拉曼光和红外光三通道点对点实时融合，作光谱显示、平滑去噪、基线拉平、叠谱分离、波峰定位、谱库建立和物质识别处理；
无线收发系统与数据处理系统信号连接，无线收发系统包括GPS定位系统和无线收发器，GPS定位系统用于定位，无线收发器用于无线传输数据，无线收发器与云相连。
2.根据权利要求1所述的远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪，其特征在于：紫外激光器发射激光，激光经样品扫描系统反射后，照射到样品上；样品散射的光，经物镜会聚后，再用中继光学系统准直成平行光；平行光中的激光和绿光经第一分束器反射后，成像到激光照相机上，平行光中的红外光和拉曼光镜从第一分束器透过进入第二分束器；第二分束器透红外光反拉曼光，红外光成像到红外照相机上，拉曼光经拉曼透镜成像到点转线光纤束上；拉曼光经点转线光纤束转换成与成谱系统数值孔径相匹配的狭缝的形状后，在成谱系统中出谱成像；数据处理系统将激光、红外光和拉曼光三通道点对点实时融合以及作数据处理；无线收发系统用于将数据传输到云；闸控电路或距离选通同步控制电路控制激光飞行距离和成谱系统开门时间，以作分层测量。
3.根据权利要求1或2所述的远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪，其特征在于：紫外激光器发射的激光波长为200～270nm，红外光波长为800～1400nm。
4.根据权利要求1所述的远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪，其特征在于：紫外激光器和样品扫描系统之间设有扩束准直镜，紫外激光器发射的激光经扩束准直镜扩束成平行光后进入样品扫描系统。
5.根据权利要求1所述的远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪，其特征在于：还包括移动平台；中继光学系统、第一分束器、激光照相机、第二分束器、拉曼透镜、红外照相机和点转线光纤束一端设置在移动平台上，随移动平台的移动而移动。
6.根据权利要求1所述的远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪，其特征在于：激光照相机与第一分束器之间以及红外照相机和第二分束器之间设有透镜，激光和绿光经透镜成像到激光照相机上，红外光经透镜成像到红外照相机上。
7.根据权利要求1所述的远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪，其特征在于：成谱系统可以有三种形式：(1)采用光栅或棱镜作色散，用面阵紫外增强CCD或CMOS出谱或既出谱又成像；(2)采用可调谐滤光片作色散，用单个或多个光电二极管PD、光电倍增管PMT或雪崩二极管APD出谱，可调谐滤光片为声光可调谐滤光片或液晶可调谐滤光片；(3)采用光栅或棱镜作色散，用紫外成象ICCD既出谱又成像。
8.根据权利要求7所述的远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪，其特征在于：紫外成象ICCD为光电倍增管与面阵紫外CCD通过光纤束或者光锥连接。
9.根据权利要求1所述的远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪，其特征在于：第二分束器和拉曼透镜之间设有长通滤光片组，长通滤光片组包括两个长通滤光片，两个长通滤光片之间形成夹角。
10.根据权利要求1所述的远程闸控三通道紫外拉曼光谱仪，其特征在于：数据处理系统包括嵌入式软硬件，嵌入式软硬件用于对激光、拉曼光和红外光三通道进行数据处理。
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