CN111220593A - 一种无损穿透包装物检测毒品以及爆炸物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无损穿透包装物检测毒品以及爆炸物的方法，属于毒品以及爆炸物检测，即化学材料检测领域。本发明的目的是为了解决现有技术存在参数难调、不易封装、体积不易缩小等问题，提供一种可无伤穿透包装物检测毒品以及爆炸物的方法。本发明针对商品化市场常用包装物的厚度为0.9mm～2mm左右现状，可实现无伤穿透包装物的拉曼探测。本发明能够有效解决空间偏移量△S问题，无需采用圆环的光纤来接收信号，可穿透厚度最大为2.8mm，已满足市场绝大多数包装物的厚度。

Description

一种无损穿透包装物检测毒品以及爆炸物的方法
技术领域
本发明涉及一种可无损穿透包装物检测毒品以及爆炸物的方法，属于毒品以及爆炸物无损检测与化学材料无损探测交叉领域。
背景技术
毒品及爆炸物是我国公共安全领域重要防控物品。当前，国内外安检及刑侦行业采用的对毒品、爆炸物的检测方法主要由红外光谱、X射线、紫外光谱、质谱和拉曼光谱等仪器构成。针对上述诸种探测方法，存在的共同缺点是：需要对样品进行制备处理、探测设备体积过大不利于现场检测、检测时间较长、多数仪器需要取被测样品、有的存在辐射等缺陷。
拉曼光谱探测技术被广泛的应用于公共安全领域，尤其在毒品识别及爆炸物探测领域具有较强的实战性。拉曼光谱探测技术具有无需样品制备、能够快速鉴别被测物的特性和结构、能够适合含水样品等检测优点。但传统拉曼光谱探测方法很难甚至无法直接穿透包装袋(容器)对样品进行测定，这导致拉曼光谱探测技术在实际应用中局限性被暴露无疑，难以实现无伤、无损快速探测。
2005年Matousek等提出空间偏移拉曼光谱(SORS)技术，是在传统拉曼光谱技术基础上发展的一种新型光谱检测技术，该技术特点体现在系统的光学结构上，其激光入射焦点与光谱收集系统的焦点在样品表层空间上偏移一定的距离(△S)，在一定范围内，偏移距离越大，收集的拉曼信号中更深层样品的信号越大，穿透深度也越深，能够实现深层检测。可见，SORS技术与传统拉曼光谱技术相比，具有深层检测优势。
2014年，张晓华等人在其探测非透明介质下深层成分的拉曼光谱技术研究中发现，与传统拉曼技术相比，空间偏移拉曼光谱法能实现对白色不/半透明塑料覆盖下深层成分的探测，但该技术很难在微型化上实现空间偏移量的调控。中国发明专利[201611029580.2](公开日：2018.09.04)提到了一种空间偏移量可调的拉曼光谱系统及拉曼光谱探测方法，能够实现被测物与容器同时鉴别的目的，该发明基于空间位移拉曼光谱(SORS)技术进行发明创造，其使用的光纤束为近似成圆环的光纤。中国发明专利[201810821886.4](公开日：2018.10.23)指出采用圆环的光纤来接收信号的方式，相比于接受点光源信号，不便于光学信息的收集和整体光路的封装，因此，该专利提出了一种逆向空间偏移拉曼光谱检测装置及方法，该装置需使用计算机，为非手持式探测方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术对毒品、爆炸物实施快速检测的难题，存在参数难调、不易封装、体积不易缩小等问题，提供一种可无损穿透包装物检测毒品以及爆炸物的方法。本发明针对商品化市场常用包装物的厚度为0.9mm～2mm左右现状，可实现无损穿透包装物的拉曼探测。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种可无损穿透包装物检测毒品以及爆炸物的方法，包括如下步骤：
步骤一、激光器1#发出的入射激光经二向色镜反射后，经过透镜聚焦在待测样品上，待测样品被激光照射产生散射光，即拉曼光1；所述拉曼光1依次经过透镜聚焦后会聚到光谱仪的狭缝上；光谱仪分光后将拉曼光1传输至光电检测系统，得到拉曼光谱数据L1；
步骤二、激光器2#发出的入射激光照射到待测样品上，需保证激光器2#的入射焦点与激光器1#的入射焦点不是同一焦点；待测样品被激光照射产生散射光，即拉曼光2；所述拉曼光2依次经过透镜聚焦后会聚到光谱仪的狭缝上；光谱仪分光后将拉曼光2传输至光电检测系统，得到拉曼光谱数据L2；
步骤三、步骤一所得拉曼光谱数据L1中包括外包装和包装内待测样品的拉曼信号，此时外包装的拉曼信号远高于待测样品的拉曼信号；步骤二所得拉曼光谱数据L2中包括外包装和包装内待测样品的拉曼信号，此时外包装的拉曼信号高于待测样品的拉曼信号，但此时待测样品的拉曼信号高于步骤一所检测到的待测样品的拉曼信号；将步骤一所得拉曼光谱数据L1与步骤二所得拉曼光谱数据L2做差即能够得到待测样品的拉曼信息谱图，即能够实现对待测样品的识别；
所述激光器1#与激光器2#发出的入射激光之间有延时。
实现上述方法的装置，包括：两个激光光源、外光路系统、光谱仪和光电检测系统，并通过单片机控制完成探测；所述外光路系统包括光纤、第一透镜、第二透镜、滤光片和二向色镜；
激光器1#和激光器2#的入射焦点与外光路系统收集焦点位于同一水平线上；激光器1#发出的入射激光被二向色镜反射至透镜后，经透镜聚焦在待测样品上，待测样品被激光照射产生散射光，即拉曼光；所述拉曼光依次经过第一透镜、二向色镜、滤光片、第二透镜和光纤后经由光谱仪传输至光电检测系统；所述激光器1#与激光器2#发出的入射激光之间有延时。还包括单片机，单片机用于控制探测，其作用相当于计算机；
所述二向色镜与待测样品之间的透镜为胶合透镜，即第一透镜为胶合透镜。
所述的无损穿透指的是无需破坏包装物即可探测包装物内物品，且包装物厚度≤2.8mm；
所述的包装物指棕色试剂瓶、聚乙烯容器等具有散射特性的包装物；
激光光源提供稳定的激发光源，用于输出准直光束，经过外光路系统聚焦到样品上；
所述的两个激光器中，激光器1#在包装物上的入射焦点与外光路系统收集焦点为同一位置，即激光器1#的激光入射焦点与光谱收集系统的焦点在样品表层空间上偏移距离△S＝0，激光器2#在包装物上的入射焦点与外光路系统收集焦点偏移距离即2mm≤△ΔS′≤8mm，调节方式为平移激光器2#位置；
所述的激光器2#为倾斜入射，激光器1#的入射光束与激光器2#的入射光束夹角为30°≤ω≤70°，根据包装物材质、厚度不同，设置激光器2#装配角度；
所述的外光路系统用于实现激发光源的会聚以及拉曼散射光的收集，由收集系统、二向色镜、陷波滤光片和会聚系统组成。入射激光经二向色镜反射再经收集系统聚焦在样品上，待测样品被激光照射产生散射光，散射光经光学探头会聚到光谱仪的狭缝上；
所述的陷波滤光片能够消弱特定入射角度、特定波长的光能量；
所述的会聚系统由两个双胶合透镜构成，厚透镜形式的第二双胶合透镜构成摄远结构；
所述的内分光光路系统用于拉曼散射光分光，采用微型光谱仪，其光谱信息由电荷耦合器件(CCD)探测器接收；
所述的微型光谱仪采用交叉非对称C-T光路结构；
所述的光电检测系统用于获得相应的波长和光强信号。
有益效果
1)本发明的一种可无损穿透包装物检测毒品以及爆炸物的方法，能够有效解决空间偏移量△S问题，无需采用圆环的光纤来接收信号，可穿透厚度最大为2.8mm，已满足市场绝大多数包装物的厚度；
2)本发明的一种可无损穿透包装物检测毒品以及爆炸物的方法，与现有SORS技术相比，更易封装，实现微型化；
3)本发明的一种可无损穿透包装物检测毒品以及爆炸物的方法，无损探测能够避免安检人员探测未知物的危险；
4)本发明的一种可无损穿透包装物检测毒品以及爆炸物的方法，能够探测日常及实验室常见包装物，为我国地铁、机场、会议等重要场地安检提供有利保障。
5)本发明的一种可无损穿透包装物检测毒品以及爆炸物的方法，不仅可穿透透明或半透明材料，也可穿透非透明的包装材料。
附图说明
图1为实施例中的探测方法示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，均在本发明保护的范围内。
实施例1
被测样品：取5g硝化甘油于蓝色聚乙烯塑料瓶中，瓶身厚度约1.1mm左右。
一种可无损穿透包装物的拉曼探测系统，主要由激光光源、外光路系统、内分光光路系统及光电检测系统组成，通过单片机控制完成探测。
其中，激光光源由两个激光器组成，波长785nm的1#激光器在蓝色聚乙烯塑料瓶上的入射焦点与外光路系统收集焦点为同一位置，即△S＝0；调节平移波长1064nm的2#激光器位置，使得2#在蓝色聚乙烯塑料瓶上的入射焦点与外光路系统收集焦点偏移一定距离即ΔS'＝8mm，激光器2#为倾斜入射，激光器1#的入射光束与激光器2#的入射光束夹角为ω＝45°；激光器1#与激光器2#发出的入射激光之间延时12ns。
一种可无损穿透包装物检测毒品以及爆炸物的方法，包括如下步骤：
步骤一、波长785nm的1#激光器发出的入射激光经二向色镜反射后，经过透镜聚焦在被测样品上，被测样品被激光照射产生散射光，即拉曼光；所述拉曼光依次经过透镜聚焦后会聚到光谱仪的狭缝上；光谱仪分光后将拉曼光传输至光电检测系统，得到拉曼光谱数据L1；
步骤二、波长1064nm的2#激光器发出的入射激光照射到被测样品上，需保证激光器2#的入射焦点与激光器1#的入射焦点不是同一焦点；被测样品被激光照射产生散射光，即拉曼光；所述拉曼光依次经过透镜聚焦后会聚到光谱仪的狭缝上；光谱仪分光后将拉曼光传输至光电检测系统，得到拉曼光谱数据L2；
步骤三、步骤一所得拉曼光谱数据L1中包括外包装聚乙烯和包装内硝化甘油的拉曼信号，此时外包装聚乙烯的拉曼信号远高于硝化甘油的拉曼信号；步骤二所得拉曼光谱数据L2中包括外包装聚乙烯和包装内硝化甘油的拉曼信号，此时外包装聚乙烯的拉曼信号高于硝化甘油的拉曼信号，但此时硝化甘油的拉曼信号高于步骤一所检测到的硝化甘油的拉曼信号；将步骤一所得拉曼光谱数据L1与步骤二所得拉曼光谱数据L2做差，即得到较好的硝化甘油拉曼光谱图，即能够实现爆炸物硝化甘油的识别；
将上述所得硝化甘油拉曼光谱图与标准库中硝化甘油的拉曼光谱图对比，主峰与次峰位置相符，证明该物质确为硝化甘油，该检测方法可以穿透1.1mm蓝色聚乙烯塑料瓶检测硝化甘油。
实施例2
被测样品：取5g硝酸钾于白色聚丙烯瓶中，瓶身厚度约1.1mm左右。
一种可无损穿透包装物的拉曼探测系统，主要由激光光源、外光路系统、内分光光路系统及光电检测系统组成，通过单片机控制完成探测。
其中，激光光源由两个激光器组成，波长785nm的1#激光器在白色聚丙烯塑料瓶上的入射焦点与外光路系统收集焦点为同一位置，即△S＝0；调节平移波长785nm的2#激光器位置激光器，使得2#在白色聚丙烯瓶上的入射焦点与外光路系统收集焦点偏移一定距离即ΔS'＝6mm，激光器2#为倾斜入射，激光器1#的入射光束与激光器2#的入射光束夹角为ω＝60°；激光器1#与激光器2#发出的入射激光之间延时12ns。
一种可无损穿透包装物检测毒品以及爆炸物的方法，包括如下步骤：
步骤一、波长785nm的1#激光器发出的入射激光经二向色镜反射后，经过透镜聚焦在被测样品待测样品上，待测被测样品被激光照射产生散射光，即拉曼光；所述拉曼光依次经过透镜聚焦后会聚到光谱仪的狭缝上；光谱仪分光后将拉曼光传输至光电检测系统，得到拉曼光谱数据L1；
步骤二、波长为785nm的2#激光器发出的入射激光照射到待测被测样品上，需保证激光器2#的入射焦点与激光器1#的入射焦点不是同一焦点；待测被测样品被激光照射产生散射光，即拉曼光；所述拉曼光依次经过透镜聚焦后会聚到光谱仪的狭缝上；光谱仪分光后将拉曼光传输至光电检测系统，得到拉曼光谱数据L2；
步骤三、步骤一所得拉曼光谱数据L1中包括外包装聚丙烯和包装内待测样品硝酸钾的拉曼信号，此时外包装聚丙烯的拉曼信号远高于待测样品硝酸钾的拉曼信号；步骤二所得拉曼光谱数据L2中包括外包装聚丙烯和包装内待测硝酸钾样品的拉曼信号，此时外包装聚丙烯的拉曼信号高于待测样品硝酸钾的拉曼信号，但此时待测样品硝酸钾的拉曼信号高于步骤一所检测到的待测样品硝酸钾的拉曼信号；将步骤一所得拉曼光谱数据L1与步骤二所得拉曼光谱数据L2做差，即能够得到待测样品硝酸钾的拉曼谱图，即能够实现对待测样品爆炸物硝酸钾的识别；
将上述所得硝酸钾拉曼光谱图与标准库中硝酸钾的拉曼光谱图对比，主峰与次峰位置相符，证明该物质确为硝酸钾，该检测方法可以穿透1.1mm白色聚丙烯瓶瓶检测硝酸钾。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无损穿透包装物检测毒品以及爆炸物的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、激光器1#发出的入射激光经二向色镜反射后，经过透镜聚焦在待测样品上，待测样品被激光照射产生散射光，即拉曼光1；所述拉曼光1依次经过透镜聚焦后会聚到光谱仪的狭缝上；光谱仪分光后将拉曼光1传输至光电检测系统，得到拉曼光谱数据L1；
步骤二、激光器2#发出的入射激光照射到待测样品上，需保证激光器2#的入射焦点与激光器1#的入射焦点不是同一焦点；待测样品被激光照射产生散射光，即拉曼光2；所述拉曼光2依次经过透镜聚焦后会聚到光谱仪的狭缝上；光谱仪分光后将拉曼光2传输至光电检测系统，得到拉曼光谱数据L2；
步骤三、步骤一所得拉曼光谱数据L1中包括外包装和包装内待测样品的拉曼信号，此时外包装的拉曼信号远高于待测样品的拉曼信号；步骤二所得拉曼光谱数据L2中包括外包装和包装内待测样品的拉曼信号，此时外包装的拉曼信号高于待测样品的拉曼信号，但此时待测样品的拉曼信号高于步骤一所检测到的待测样品的拉曼信号；将步骤一所得拉曼光谱数据L1与步骤二所得拉曼光谱数据L2做差即能够得到待测样品的拉曼信息，即能够实现对待测样品的识别。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于：所述激光器1#与激光器2#发出的入射激光之间有延时。
3.实现如权利要求1所述方法的装置，其特征在于：包括：两个激光光源、外光路系统、光谱仪和光电检测系统，并通过单片机控制完成探测；所述外光路系统包括光纤、第一透镜、第二透镜、滤光片和二向色镜；
激光器1#和激光器2#的入射焦点与外光路系统收集焦点位于同一水平线上；激光器1#发出的入射激光被二向色镜反射至透镜后，经透镜聚焦在待测样品上，待测样品被激光照射产生散射光，即拉曼光；所述拉曼光依次经过第一透镜、二向色镜、滤光片、第二透镜和光纤后经由光谱仪传输至光电检测系统；所述激光器1#与激光器2#发出的入射激光之间有延时；还包括单片机，单片机用于控制探测；
所述二向色镜与待测样品之间的透镜为胶合透镜，即第一透镜为胶合透镜；
所述的无损穿透指的是无需破坏包装物即可探测包装物内物品，且包装物厚度≤2.8mm；
所述的包装物指棕色试剂瓶、聚乙烯容器等具有散射特性的包装物；
激光光源提供稳定的激发光源，用于输出准直光束，经过外光路系统聚焦到样品上；
所述的两个激光器中，激光器1#在包装物上的入射焦点与外光路系统收集焦点为同一位置，即激光器1#的激光入射焦点与光谱收集系统的焦点在样品表层空间上偏移距离△S＝0，激光器2#在包装物上的入射焦点与外光路系统收集焦点偏移距离即2mm≤Δ ΔS′≤8mm，调节方式为平移激光器2#位置；
所述的激光器2#为倾斜入射，激光器1#的入射光束与激光器2#的入射光束夹角为30°≤ω≤70°，根据包装物材质、厚度不同，设置激光器2#装配角度；
所述的外光路系统用于实现激发光源的会聚以及拉曼散射光的收集，由收集系统、二向色镜、陷波滤光片和会聚系统组成；入射激光经二向色镜反射再经收集系统聚焦在样品上，待测样品被激光照射产生散射光，散射光经光学探头会聚到光谱仪的狭缝上；
所述的陷波滤光片能够消弱特定入射角度、特定波长的光能量；
所述的会聚系统由两个双胶合透镜构成，厚透镜形式的第二双胶合透镜构成摄远结构；
所述的内分光光路系统用于拉曼散射光分光，采用微型光谱仪，其光谱信息由电荷耦合器件(CCD)探测器接收；
所述的微型光谱仪采用交叉非对称C-T光路结构；
所述的光电检测系统用于获得相应的波长和光强信号。
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Application publication date: 20200602