CN110426375A - 一种深海libs原位探测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深海LIBS原位探测装置及测试方法，包括甲板控制和水下探测两部分；水下探测部分由LIBS主体舱和LIBS光学探头构成，LIBS主体舱内包含激光器及电源、光谱仪、探测器、中央电控制模块、温度/深度传感器，水下探测部分通过传输电缆实现与甲板控制部分的水上控制室连接，完成信号上下传输并为舱内仪器供电；LIBS光学探头包括前置光路和精确定位辅助装置，负责激光的精确聚焦、LIBS探测和信号收集。本发明的有益效果是体积小巧；并且该系统可以实现对样品的快速精准定位，实现海底固体样品成分的原位实时探测。

Description

一种深海LIBS原位探测装置
技术领域
本发明属于深海探测技术领域，涉及一种针对海底矿物自动完成对焦并进行定量分析的深海金属元素探测系统。
背景技术
LIBS即激光诱导击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy)，该技术通过聚焦高功率脉冲激光至物质表面，烧蚀样品、汽化产生瞬态等离子体，探测等离子体的特征辐射，以完成物质定性或定量分析的光谱技术。高能量的激光作用在物质表面，在激光的聚焦区域内，物质受激发电离，形成击穿，发出冲击波，获得呈电中性的等离子体。在后续过程中，等离子体与外界环境相互作用，冷却且缩小的等离子体向外辐射带有物质信息的辐射光，具体表现为原子线、离子线或分子线等。2012年，日本东京大学研制了深海LIBS设备(ChemiCam)，能够在深海3000米环境下完成元素检测。ChemiCam有两种工作模式，其中，一种模式用于对海水中的金属阳离子进行检测，激发装置、探测设备和控制终端等均集成于同一舱体内；另一种模式用于对深海岩石或沉积物进行检测，分为主体舱和探头舱，通过光缆在两舱间传输激光和LIBS信号，由水下潜器(ROV)的机械手夹持探头舱，经探头舱的一维平移，自动将激光聚焦于物体表面，实现海底矿物的检测与分析。该系统(ChemiCam)的缺点明显，主要体现为硬件体积庞大，整体结构复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种深海LIBS原位探测装置，本发明的有益效果是将整个系统集成到一个长度不足400mm，直径不足150mm的小型探头舱内，体积小巧；并且该系统可以实现自动对焦，使得激光准确会聚于样品表面，完成固体样品元素成分的实时原位LIBS探测，以及元素成分的定量分析。
本发明所采用的技术方案是包括甲板控制和水下探测两部分；水下探测部分由LIBS主体舱和LIBS光学探头构成，LIBS主体舱内包含激光器及电源、光谱仪、探测器、中央电控制模块、温度/深度传感器，水下探测部分通过传输电缆实现与甲板控制部分的水上控制单元连接，完成信号上下传输并为舱内仪器供电；LIBS光学探头包括前置光路和自动对焦辅助装置，负责激光的精确聚焦、LIBS探测和信号收集。
进一步，LIBS主体舱采用长脉冲激光器作为激发光源以获得更好的激发效果，光栅光谱仪配合ICCD进行分光探测，设计以时间分辨工作模式完成LIBS的探测，避免轫致辐射造成的干扰；系统将通过脐带缆连接ROV电源，LIBS主体舱中设置电压转换模块实现激光器、ICCD、工控机的供电；PC104工控机作为主体舱内仪器控制中心，实现主体舱中各关键设备的运行控制；同时，舱内将配备温度、湿度传感器，实时监控舱内工作环境状况；LIBS主体舱端盖与外筒采用O型圈轴向和端向密封，密封舱前端盖上装有光纤连接件和水密接头，内有多通道光纤光谱仪、电子控制模块；LIBS主体舱尺寸为外径240mm*L800mm，材料采用TC4钛合金，端盖厚度50mm，密封舱壁厚20mm。
进一步，激光耦合部分，将基于多模光纤实现大于20mJ能量、1～10Hz重频下脉冲激光的无损耦合输入，确保激光能量传输大于70％；同时，为适应深海高压极端环境，方便ROV机械手操作，该深海光纤必须浸油式封装，保证光纤的柔韧性和正常光学传输；其中，机械限位为ROV机械手携带LIBS光学探头，以探头前端接触烟囱体表面，初步实现探头逼近烟囱体外表面，设计精度达cm量级；然后通过探头外部安装的直线型电机带动滑台推进LIBS探头，直至贴近烟囱体表面至mm量级；在此基础上，再通过探头内部小型电动位移台驱动聚焦镜头微动，结合定焦算法将激光聚焦点精确锁定于烟囱体表面，完成LIBS聚焦定位，保证LIBS定量分析的顺利实现；激光器发出的激光先经过光束准直系统进行扩束和准直后，经双胶合透镜聚焦到样品表面，激发等离子体，系统采用后向收集结构，返回的光由一个分光镜分为两路，大部分光经二向色片反射后，作为信号由抛物面反射镜耦合到光纤中；少部分的光用于对探测物表面进行成像，系统保证最佳探测位置也是成像最清晰的位置，通过成像的清晰度作为反馈信号，实现对探测物体进行自动对焦，采集的信号光通过光纤耦合到主体舱内的光栅光谱仪中，以实现对样品的探测；探头舱最前端的双胶合透镜固定在一个快速的微型步进电机上，随着图像清晰度的反馈信号进行前后移动，实现自动对焦，系统功能实现的关键在于对探测物进行精准对焦，可自动对焦的LIBS探测系统自动对焦程序共有三个主要步骤：寻找物体表面、扫描物体表面、找到最清晰位置。
附图说明
图1是本发明光学探头结构示意图；
图2是本发明定量分析流程示意图；
图3是本发明自动对焦具体流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明包括LIBS主体舱、LIBS光学探头，LIBS主体舱方案设计：LIBS系统主体舱采用脉冲激光器作为激发光源，光栅光谱仪配合ICCD进行分光探测，设计以时间分辨工作模式完成LIBS的探测，避免轫致辐射造成的干扰；系统将通过电缆连接ROV电源，主体舱中设置电压转换模块实现激光器、ICCD、工控机等关键器件的供电；PC104工控机作为主体舱内仪器控制中心，实现主体舱中各关键设备的运行控制；同时，舱内将配备温度、湿度传感器，实时监控舱内工作环境状况。
主体舱端盖与外筒采用O型圈轴向和端向密封，密封舱前端盖上装有光纤连接件和水密接头，内有光栅光谱仪、ICCD探测器、电子控制模块等几部分。
LIBS系统主体舱尺寸为外径240mm*L800mm，材料采用TC4钛合金，端盖厚度50mm，密封舱壁厚20mm。
LIBS光学探头如图1所示，激光高效耦合部分，将基于多模光纤实现大于20mJ能量、1～10Hz重频下脉冲激光的无损耦合输入，确保激光能量传输大于70％；同时，为适应深海高压极端环境(>40MPa)，方便ROV机械手操作，该深海光纤为浸油式封装，保证光纤的柔韧性和正常光学传输；考虑到光程差等问题，多模光纤传输后的激光，往往产生非高斯线型分布输出，必须对光纤输出激光进行光斑整形；整形后的激光，为适应烟囱体凹凸表面带来的聚焦困难，进行长聚焦深度下的水下固体LIBS探测，实现LIBS光学探头的精确对焦功能，通过机械限位、外部平动、内部微动三种方式结合的工作模式，实现微米级别的精确对焦。其中，机械限位为ROV机械手携带LIBS光学探头，以探头前端接触烟囱体表面，初步实现探头逼近烟囱体外表面，设计精度达cm量级；然后通过探头外部安装的直线型电机带动滑台推进LIBS探头，直至贴近烟囱体表面至mm量级；在此基础上，再通过探头内部小型电动位移台驱动聚焦镜头微动，结合定焦算法将激光聚焦点精确锁定于烟囱体表面，完成LIBS聚焦定位，保证LIBS定量分析的顺利实现。
激光器和光谱仪的设置及操作
本系统选用的激光器、光谱仪和探测器通过串口指令完成所有的设置功能。在设置前首先需要将激光器或光谱仪的串口通过串口转USB与计算机相连，然后在计算机上打开串口调试软件，设置正确的端口号、波特率、数据位、停止位、奇偶校验等信息，最后发送相应的指令完成激光器或光谱仪的设置。使用串口调试软件根据上表中的指令可以完成激光器相应的设置。激光器的触发模式为外部触发。光谱仪的设置、控制和通信均可以通过串口指令完成。
当LIBS探测系统完成自动对焦任务后，控制器通过激光器外触发引脚触发激光器发射脉冲激光进行物体表面击穿，激光器的触发输出接口通过延时触发器同步触发光谱仪与探测器采集光谱信号。光谱仪与PC机通过USB连接，并将光谱探测数据传输至上位机中。
自动定位图像处理算法
可自动对焦的LIBS探测系统的软件部分需要完成图像采集、图像处理、照明控制、运动控制、激光器控制、光谱仪通信控制等任务。
图像采集。程序中首先需要导入相应的模块，获得摄像头的视频信息。摄像头采集的视频由一帧帧图像组成，对于自动对焦过程，需要对每一帧图像进行清晰度评价，最后通过清晰度评价函数计算清晰度。
图像处理、预处理。本设计中需要通过图像的清晰度判断对焦情况，需要选择合适的清晰度评价函数。为了提高清晰度评价函数运算效率，缩短运算时间，需要对采集到的图像进行一定的预处理。清晰度评价函数。运动控制。需要通过软件程序对控制电路上相应通用输入输出接口的高低电平进行控制。这些通用输入输出接口的高低电平需要满足一定的时序才能保证执行单元正常工作。
照明方式
目标物体的照明选用LED光源，利用光纤导出。光纤由窗口周围探出并固定密封。照明控制通过输出高电平点亮LED，输出低电平关闭LED。
自动对焦程序
自动对焦过程共有三个主要步骤：寻找物体表面、扫描物体表面、找到最清晰位置。这三个步骤分别以三个功能函数实现，这些函数调用了上述内容中运动控制函数完成对光纤照明系统、位移平台等执行单元的控制，并需要结合图像采集、清晰度评价函数等共同完成本系统的自动对焦功能。图3为自动对焦过程。
系统完成自动对焦过程的第一步顺利找到物体表面后，可执行第二步扫描物体表面。扫描物体表面需要系统以较小的步长前进，每前进一步采集一次图像信息，对图像进行一次清晰度评价，并将该位置图像的清晰度评价数值记录。完成物体表面扫描后，可以得到一组物体表面前后位置的清晰度数值序列，这些清晰度数值按照先后顺序记录在一个列表中。
扫描物体表面结束后，需调用求最大值函数和列表序数函数从列表中找出最大清晰度数值，并计算出该数在列表中的位置。通过最大值在列表中的位置可以计算出最清晰成像处距离系统当前成像处的距离，然后控制位移平台回到该位置并采集图像信息。
LIBS定量分析方法
对于复杂海洋环境下LIBS定量分析方法的研究，着重考虑海洋复杂环境因素，针对海底矿物或沉积物建立一套具有海洋特色的定量分析方法。在方法方面，首先基于获得的烟囱体成分LIBS光谱，采用小波分析进行降噪预处理，对小波函数种类、分解层数和阈值选取进行并行优化，提升LIBS光谱信噪比；然后，结合LIBS特征谱线数据库(NIST、Kurucz)和海底矿物主要元素成分，先验性地识别实测谱线，完成样品定性分析。
在此基础上，考虑海洋复杂环境，结合海水盐度、压力以及温度，拟采用光谱标准化方法结合基于主导因素的偏最小二乘(PLS)算法，初步建立定量分析模型；再利用该定量分析模型处理实测光谱数据，通过LIBS光谱谱线强度随海水环境变化规律，根据等离子体光谱与元素含量之间的物理联系建立主导因素，加入非线性自吸收等修正，通过主导因素残差进行PLS回归，有效提取光谱信息，提高定量分析模型的测量精度。
最终，采用该定量分析方法，第一步先在浅海进行系列标样或已知海洋样品的定量分析试验，通过获得数据与定量结果，进行LIBS定量模型的自适应修正；第二步结合通过LIBS光谱谱线强度随海水盐度、压力以及温度的变化规律，进行加权系数修正，并考虑携带少量已知元素成分的标准样品在深海进行LIBS探测分析，进一步检验并校正定量分析模型。在此基础上，再应用该定量分析方法对烟囱体进行LIBS原位定量分析。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种深海LIBS原位探测装置，其特征在于：包括甲板控制和水下探测两部分；水下探测部分由LIBS主体舱和LIBS光学探头构成，LIBS主体舱内包含激光器及电源、光谱仪、探测器、中央电控制模块、温度/深度传感器，水下探测部分通过传输电缆实现与甲板控制部分的水上控制单元连接，完成信号上下传输并为舱内仪器供电；LIBS光学探头包括前置光路和自动对焦辅助装置，负责激光的精确聚焦、LIBS探测和信号收集。
2.按照权利要求1所述一种深海LIBS原位探测装置，其特征在于：所述LIBS主体舱采用长脉冲激光器作为激发光源以获得更好的激发效果，光栅光谱仪配合ICCD进行分光探测，设计以时间分辨工作模式完成LIBS的探测，避免轫致辐射造成的干扰；系统将通过脐带缆连接ROV电源，LIBS主体舱中设置电压转换模块实现激光器、ICCD、工控机的供电；PC104工控机作为主体舱内仪器控制中心，实现主体舱中各关键设备的运行控制；同时，舱内将配备温度、湿度传感器，实时监控舱内工作环境状况；LIBS主体舱端盖与外筒采用O型圈轴向和端向密封，密封舱前端盖上装有光纤连接件和水密接头，内有多通道光纤光谱仪、电子控制模块；LIBS主体舱尺寸为外径240mm*L800mm，材料采用TC4钛合金，端盖厚度50mm，密封舱壁厚20mm。
3.按照权利要求1所述一种深海LIBS原位探测装置，其特征在于：所述激光耦合部分，将基于多模光纤实现大于20mJ能量、1～10Hz重频下脉冲激光的无损耦合输入，确保激光能量传输大于70％；同时，为适应深海高压极端环境，方便ROV机械手操作，该深海光纤为浸油式封装，保证光纤的柔韧性和正常光学传输；其中，机械限位为ROV机械手携带LIBS光学探头，以探头前端接触烟囱体表面，初步实现探头逼近烟囱体外表面，设计精度达cm量级；然后通过探头外部安装的直线型电机带动滑台推进LIBS探头，直至贴近烟囱体表面至mm量级；在此基础上，再通过探头内部小型电动位移台驱动聚焦镜头微动，结合定焦算法将激光聚焦点精确锁定于烟囱体表面，完成LIBS聚焦定位，保证LIBS定量分析的顺利实现；激光器发出的激光先经过光束准直系统进行扩束和准直后，经双胶合透镜聚焦到样品表面，激发等离子体，系统采用后向收集结构，返回的光由一个分光镜分为两路，大部分光经二向色片反射后，作为信号由抛物面反射镜耦合到光纤中；少部分的光用于对探测物表面进行成像，系统保证最佳探测位置也是成像最清晰的位置，因此可以通过成像的清晰度作为反馈信号，实现对探测物体进行自动对焦，采集的信号光通过光纤耦合到主体舱内的光栅光谱仪中，以实现对样品的探测；探头舱最前端的双胶合透镜固定在一个快速的微型步进电机上，随着图像清晰度的反馈信号进行前后移动，实现自动对焦，系统功能实现的关键在于对探测物进行精准对焦，可自动对焦的LIBS探测系统自动对焦程序共有三个主要步骤：寻找物体表面、扫描物体表面、找到最清晰位置。
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