CN111323386B - 光学检测方法和光学检测装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种光学检测方法和光学检测装置。光学检测方法包括：将光束导向目标；从多个测试传感器中选择第一测试传感器以与从目标接收的辐射进行比较，其中第一测试传感器包括第一测试化学品；接收来自目标的反射或散射光束；将来自第一测试化学品的第一光谱与使用线性检测器阵列接收的反射或散射光束的光谱进行比较；使用硬件处理器基于比较从目标确定可能的化学品；以及基于确定提供输出。

Description

光学检测方法和光学检测装置
技术领域
本发明涉及用于化学检测的系统和方法。更具体地，本公开涉及使用具有匹配参考的光吸收检测的远程化学检测系统和方法。
背景技术
本领域已知通过对构成云的分子进行光谱分析来检测空气中化学云中的某些成分。这种类型的化学检测具有许多应用，包括检测从地下管道泄漏的天然气、来自化学溢出物的化学云、来自化学过程的挥发性有机蒸气(VOC)、来自烟囱的污染等、军用化学战剂和存在于空气中的其它有毒气体。典型地，这种类型的化学云的光谱分析是远程执行的，有时高达10-20km远，因为云中的成分可能是有毒的，并因此威胁健康，或者可能不可能直接检测化学云。对于这种远程类型的无源感测，检测仪器必须离云的距离取决于特定的应用，并且对于不同的应用存在不同的系统。
为了执行这种类型的检测和分析，分光计，例如傅立叶变换红外(FTIR)分光计，从远处指向化学试剂云，使得其被动地接收来自化学试剂云的发射。典型的光吸收检测系统彼此独立地操作，并且依赖于长光程长度来吸收足够的物质用于检测。光谱仪从发射中产生的光谱显示提供了一定波长的发射谱线和谱带，其指示云中的原子和分子。因为每种材料具有其自身的代表其分子的光谱“指纹”，所以可以将检测到的光谱显示与特定化学品的已知“指纹”进行比较，以确定该化学品是否存在于云中。
所需要的是一种改进的远程化学检测系统，其解决了传统方法的各种问题。
发明内容
根据本公开的示例，提供了一种光学检测方法，其包括将光束导向目标；从多个测试传感器中选择第一测试传感器以与从所述目标接收的辐射进行比较，其中，所述第一测试传感器包括第一测试化学品；接收来自目标的反射或散射光束；将来自第一测试化学品的第一光谱与使用线性检测器阵列接收的反射或散射光束的光谱进行比较；使用硬件处理器基于比较从所述目标确定可能的化学品；以及基于确定提供输出。
在一些示例中，该光学检测方法进一步包括从多个测试传感器中选择第二测试传感器以与从该目标接收的辐射进行比较，其中该第二测试传感器包括第二测试化学品；将来自第二测试化学品的第二光谱与使用线性检测器阵列接收的反射或散射光束的光谱进行比较；以及使用硬件处理器确定来自目标的可能化学品更接近第一光谱或第二光谱。
在一些实例中，多个测试传感器中的每一个包括用不同的测试化学品浸渍的纳米材料。在一些示例中，导向还包括利用光束扩展器扩展光束，以及利用光束调向镜调向光束，其中目标处的光束包括多个空间移位的光束。在一些实例中，所述选择进一步包含将所述第一测试传感器加热到足以从所述第一测试传感器释放所述第一测试化学品的温度。在一些实例中，基于对来自目标的可能化学品的初始评估来选择第一测试传感器。在一些示例中，在提供输出之前测试多个测试传感器中的每个测试传感器。
根据本公开的示例，提供了一种光学检测设备。该光学检测装置包括：发射器，被配置为将光束导向目标并且配置为从多个测试传感器中选择第一测试传感器以与从该目标接收的辐射进行比较，其中该第一测试传感器包括第一测试化学品；接收器，被配置为接收来自目标的反射或散射光束；线性检测器阵列，被配置为将来自第一测试化学品的第一光谱与所接收的反射或散射光束的光谱进行比较；硬件处理器，被配置为基于比较从所述目标确定可能的化学品；以及输出接口，被配置为基于确定来提供输出。在一些实例中，多个测试传感器中的每一个包括用不同的测试化学品浸渍的纳米材料。在一些示例中，多个测试传感器中的每一个包括具有不同测试化学品的胶囊。在一些示例中，发射器进一步包括热源，该热源配置为将第一测试传感器加热到足以从第一测试传感器释放第一测试化学品的温度。在一些实例中，发射器进一步包括配置为扩展光束的光束扩展器和配置为调向光束的光束调向镜，其中目标处的光束包括多个空间移位的光束。在一些实例中，光学检测装置进一步包括集成的近红外梳装置、集成的中红外梳装置或两者，其中集成的近红外梳装置和集成的中红外梳装置的输出被提供给发射器。在一些实例中，接收器进一步包含配置为接收来自目标的反射或散射光束的光束聚焦装置和配置为向线性检测器阵列提供一个或多个扫描光束的一个或多个扫描镜。在一些实例中，基于对来自目标的可能化学品的初始评估来选择第一测试传感器。在一些示例中，在提供输出之前测试多个测试传感器中的每个测试传感器。
应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都仅仅是示例性和解释性的，而不是对所要求保护的本发明的限制。
附图说明
并入并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的各方面，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1示出了根据一种实现方式的用于使用匹配参考进行化学检测的光学检测系统的框图。
图2示出了图1的框图的示意图。
图3示出了根据一种实现方式的光学检测方法300。
图4示出了根据一种实现方式的光学检测方法400。
图5示出了根据本公开的示例，可以通过光学检测方法300产生的示例光谱500。
图6示出了不包括参考化学品的示例光谱600。
应当注意，附图的一些细节已经被简化并且被绘制以便于理解而不是保持严格的结构精度、细节和比例。
具体实施方式
现在将详细参考本发明，其示例在附图中示出。在附图中，相同的附图标记始终用于表示相同的元件。在以下描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中通过示例示出了实践本发明的具体示例。因此，以下描述仅仅是示例性的。
总体而言，本公开的各方面提供了一种使用匹配吸收滤波器的光学检测系统和方法，该匹配吸收滤波器提供了将目标位置处的化学品“拉出”背景并将化学品的光谱与来自一种或多种测试化学品的光谱进行比较的能力。通过光学组合匹配的没有背景的光吸收特征，增强了通过吸收与背景混合的低浓度化合物的光学检测。匹配特征由检测系统确定，也作为释放匹配吸收特征的来源。该光学检测系统和方法提供：(1)使用与背景中的标记光学结合的匹配的化学吸收特征，(2)使用正交传感器来确定化学释放，以及(3)使用相同的正交传感器类型来产生用于光学吸收检测的可疑化学品的释放。光学检测系统和方法增强了包括但不限于TNT的化学品的匹配气体输出。
所述光学检测系统和方法可使用纳米管化学传感器，所述纳米管化学传感器可被加热以释放键合到所述纳米管的化学品，使得光束感测所释放的化学品。光学检测系统和方法感测环境并使用减法检测来确定环境中可能的化学品。纳米管可以包括具有化学键的官能化表面，当加热时，化学品被释放。光束被导向通过释放的气体并被分析以确定环境是否具有化学品。光学检测系统和方法可以通过吸收光谱或发射光谱使用化学品的光谱。光学检测系统和方法可用于任何类型的环境监测、爆炸物检测、烟囱中的环境问题、污染监测器、火灾检测。
图1示出了根据一种实现方式的用于使用匹配参考进行化学检测的光学检测系统100的框图。光学检测系统100包括配置为产生和控制光束的光学系统、控制系统和网络102元件。光学检测系统100的光学系统可以包括集成近红外(“NIR”)频率梳104激光系统和集成中红外(“MIR”)频率梳106激光系统中的一个或多个。频率梳激光系统是激光源，其光谱由一系列离散的、等间隔的频率线组成。频率梳激光器可以由多种机制产生，包括连续波激光器的周期性调制(幅度和相位)，非线性介质中的四波混频或由锁模激光器产生的脉冲序列的稳定化(stabilization)。在一个非限制性实例中，用于产生频率梳的激光器可以是Ti：蓝宝石固态激光器或Er：光纤激光器，其具有典型地在100MHz和1GHz之间或甚至高达10GHz的重复率。
光学系统、控制系统和网络102元件还包括控制器110，控制器110配置为控制集成NIR频率梳104和集成MIR频率梳106的操作。光学系统、控制系统和网络102还包括网络接口114和天线116。全球定位系统(“GPS”)模块108可以与控制器110和主控制器112通信。光学系统、控制系统和网络102元件还包括输出接口，输出接口配置为通过网络接口114和天线116向用户提供输出和/或通过网络向计算机系统提供输出。
光学检测系统100还包括发射器118。发射器118配置为将来自NIR频率梳104激光系统和/或MIR频率梳106激光系统的光束导向目标152。发射器118可以包括配置为扩展光束的光束扩展器120和配置为调向光束的光束调向镜122。目标118处的光束可以包括多个空间移位的光束。
光学检测系统100还包括点检测单元124，被配置为从多个测试传感器126中选择用于与从目标152接收的辐射进行比较的测试传感器。多个测试传感器126包括第一测试传感器128、第二测试传感器132…，第n测试传感器136。第一测试传感器128包括第一测试化学品130，第二测试传感器132包括第二测试化学品134，并且第n测试传感器136包括第n测试化学品138。多个测试传感器126中的每一个包括用不同测试化学品浸渍的纳米材料。多个测试传感器126中的每一个可以包括具有不同测试化学品的胶囊。点检测单元124还可以包括热源140，热源140配置为将多个测试传感器126中的一个或多个加热到足以从测试传感器释放相应的测试化学品的温度。在一个非限制性实例中，单壁碳纳米管材料可被功能化为模拟用于分子识别的天然受体，用于检测硫化氢或硫芥或任何数量的其它化学试剂，灵敏度水平为10ppm或更低。
接收器142配置为接收来自目标152的反射或散射光束。接收器106包含光束聚焦装置138及相机140，配置为通过聚焦来自目标152的多个散射及/或反射光束而与光束扩展器120反向操作。接收器106还包括线性检测器阵列-NIR 144和/或线性检测器阵列-MIR146，其输出由接收器电子装置148接收并由处理器处理，例如由中央处理单元(“CPU”)或图形处理器单元(“GPU”)150处理。线性检测器阵列-NIR 144和/或线性检测器阵列-MIR 146配置为将来自一种或多种测试化学品的一个或多个光谱(例如来自第一测试化学品的第一光谱)与从目标152接收的反射或散射光束的光谱进行比较。处理器(例如GPU 150)配置为基于处理器的结果确定来自目标152的可能化学品。
图2示出了光学检测系统100的示意图200，示出了附加细节。集成NIR频率梳104和集成MIR频率梳106配置为分别产生第一多个空间显示光束154和第二多个空间显示光束156。第一多个空间显示光束154和第二多个空间显示光束156的一部分被第一反射镜158导向到点检测单元124。来自点检测单元124的辐射由第二反射镜160导向接收器142，第二反射镜160与由分束器和/或光栅或棱镜139从目标152接收的辐射组合，以由线性检测器阵列-NIR 144和/或线性检测器阵列-MIR 146、接收器电子装置148和GPU 150分析。
图3示出了根据本公开的示例的光学检测方法300。光学检测方法300可以通过在302处将光束导向目标152开始。在一些示例中，导向还包括在304利用光束扩展器120扩展光束并且利用光束调向镜122调向光束。目标152处的光束包括多个空间移位的光束。
可以通过在306从多个测试传感器126中选择第一测试传感器128以与从目标152接收的辐射进行比较来继续光学检测方法300。在一些示例中，所述选择可进一步包含在308将第一测试传感器128加热到足以从第一测试传感器128释放第一测试化学品130的温度。第一测试传感器128可以包括第一测试化学品130，第二传感器132可以包括第二测试化学品134…，第n测试传感器136可以包括第n测试化学品138。多个测试传感器126中的每一个可以包括用不同的测试化学品浸渍的纳米材料。
光学检测方法300可以通过在310接收来自目标152的反射或散射光束来继续。可以通过在312将来自第一测试化学品130的第一光谱与使用线性检测器阵列144、146接收的反射或散射光束的光谱进行比较，来继续光学检测方法300。例如，可以由发射器118询问本地大气。加热诸如第一测试传感器128的测试传感器，并释放第一测试化学品130。由诸如第一测试传感器128的测试传感器摄取的局部大气可以被由第一反射镜158从发射器118分离的光束部分询问。可以通过在314基于使用硬件处理器的比较确定来自目标152的可能化学品来继续光学检测方法300。可以通过在316基于该确定提供输出来继续光学检测方法300。典型地，化学光谱由其作为频率函数的吸收特征限定。化学光谱将具有与组成化合物的组分相关的特定特征。通过识别这些特定特征，利用光学检测系统100在受控环境中生成数据库。如果化学品的背景或汇合遮掩或超越了特定特征，则需要增加化学特征的方法。应用匹配滤波器的频谱的相加，则所讨论的频谱将增加信号与背景的比率。将使用处理方法将捕获的频谱的签名(signature)与存储在数据库中的签名相关，其中将作出具有最高置信度的声明。
图4示出了根据本公开的示例的光学检测方法400。方法400是方法300的继续。方法400开始于在402从多个测试传感器126中选择第二测试传感器以与从目标152接收的辐射进行比较。第二测试传感器132可以包括第二测试化学品134。通过在404将来自第二测试化学品134的第二光谱与使用线性检测器阵列144、146接收的反射或散射光束的光谱进行比较来继续方法400。通过在406使用硬件处理器确定来自目标的可能化学品更接近第一光谱或第二光谱而继续方法400。
图5示出了根据本公开的示例，可以通过光学检测方法300产生的示例光谱500。光谱500示出了化学光谱的第一部分505，其中例如通过第一测试化学品130或第二测试化学品134添加了参考化学品，其提供了相对于背景的增加的信噪比。光谱500还示出了包括背景光谱的第二部分510。
通过比较，图6示出了不包括参考化学品的示例光谱600。光谱600示出了化学品光谱的第一部分605和包括背景光谱的第二部分610。
尽管阐述本公开的宽范围的数值范围和参数是近似值，但尽可能精确地报告具体实施例中阐述的数值。然而，任何数值固有地包含由在它们各自的测试测量中发现的标准偏差必然导致的某些误差。此外，本文公开的所有范围应理解为包括其中包含的任何和所有子范围。
虽然已经相对于一个或多个实施例示出了本发明，但是在不脱离所附技术方案的精神和范围的情况下，可以对所例示的示例进行变更和/或修改。此外，虽然本发明的特定特征可以仅关于若干实现中的一个来公开，但是这样的特征可以根据需要与其他实现的一个或多个其他特征组合，并且对于任何给定或特定功能是有利的。如本文所用，关于诸如A和B的项目列表的术语“A和B中的至少一个”意指单独的A，单独的B或A和B。本领域技术人员将认识到这些和其它变化是可能的。此外，就在详细描述和技术方案中使用的术语“包括”、“包含”、“具有”、“具有”、“带有”或其变体而言，这些术语旨在以类似于术语“包含”的方式是包含性的。此外，在本文的讨论和技术方案中，术语“约”表示所列出的值可以稍微改变，只要改变不会导致工艺或结构不符合本文所述的预期目的。最后，“示例性”表示该描述被用作示例，而不是暗示它是理想的。
应当理解，上述公开的变型和其它特征和功能，或其替代，可以组合到许多其它不同的系统或应用中。随后，本领域技术人员可以进行各种目前无法预料或无法预料的替换，修改，变化或改进，这些替换、修改、变型或改进也旨在由所附技术方案涵盖。

Claims (13)

1.一种光学检测方法，包括：
将光束导向目标（152）；
从多个测试传感器中选择第一测试传感器（128）以与从所述目标（152）接收的辐射进行比较，其中，所述第一测试传感器（128）包括第一测试化学品（130）；
接收来自所述目标（152）的反射或散射光束；
将来自所述第一测试化学品的第一光谱与使用线性检测器阵列（144，146）接收的反射或散射光束的光谱进行比较；
使用硬件处理器基于比较确定来自所述目标（152）的可能化学品；以及
基于确定提供输出，
其中，所述多个测试传感器中的每一个包括用不同的测试化学品浸渍的纳米材料，或者
其中，所述多个测试传感器中的每一个包括具有不同测试化学品的胶囊。
2.根据权利要求1所述的光学检测方法，进一步包括：
从多个测试传感器中选择第二测试传感器（132），以与从所述目标（152）接收的辐射进行比较，其中，所述第二测试传感器（132）包括第二测试化学品（134）；
将来自所述第二测试化学品的第二光谱与使用所述线性检测器阵列（144，146）接收的反射或散射光束的光谱进行比较；以及
使用所述硬件处理器确定来自所述目标的所述可能化学品更接近所述第一光谱或所述第二光谱。
3.根据权利要求1所述的光学检测方法，其中，导向进一步包括用光束扩展器（120）扩展所述光束并且用光束调向镜（122）调向所述光束，其中，在所述目标（152）处的所述光束包括多个空间移位的光束。
4.根据权利要求1所述的光学检测方法，其中，选择进一步包括将所述第一测试传感器（128）加热到足以从所述第一测试传感器（128）释放所述第一测试化学品（130）的温度。
5.根据权利要求1所述的光学检测方法，其中，所述第一测试传感器（128）是基于来自所述目标（152）的所述可能化学品的初始评估来选择的。
6.根据权利要求1所述的光学检测方法，其中，在提供所述输出之前测试所述多个测试传感器中的每个测试传感器。
7.一种光学检测装置，包括：
发射器（118），被配置为将光束导向目标（152）且配置为从多个测试传感器中选择第一测试传感器（128）以与从所述目标（152）接收的辐射进行比较，其中，所述第一测试传感器（128）包括第一测试化学品（130）；
接收器（142），被配置为接收来自所述目标（152）的反射或散射光束；
线性检测器阵列（144，146），被配置为将来自所述第一测试化学品（130）的第一光谱与所接收的反射或散射光束的光谱进行比较；
硬件处理器（150），被配置为基于比较确定来自所述目标（152）的可能化学品；以及
输出接口，被配置为基于确定提供输出，
其中，所述多个测试传感器中的每一个包括用不同的测试化学品浸渍的纳米材料，或者
其中，所述多个测试传感器中的每一个包括具有不同测试化学品的胶囊。
8.根据权利要求7所述的光学检测装置，其中，所述发射器（118）进一步包括热源（140），所述热源被配置为将所述第一测试传感器（128）加热到足以从所述第一测试传感器（128）释放所述第一测试化学品（130）的温度。
9.根据权利要求7所述的光学检测装置，其中，所述发射器（118）还包括配置为扩展所述光束的光束扩展器（120）和配置为调向所述光束的光束调向镜（122），其中，在所述目标（152）处的所述光束包括多个空间移位的光束（154）。
10.根据权利要求7所述的光学检测装置，还包括集成的近红外梳装置（104）、集成的中红外梳装置（106）、或所述集成的近红外梳装置（104）和所述集成的中红外梳装置（106）两者，其中，所述集成的近红外梳装置（104）和所述集成的中红外梳装置（106）的输出被提供给所述发射器（118）。
11.根据权利要求7所述的光学检测装置，其中，所述接收器（142）还包括光束聚焦装置（138）和一个或多个扫描镜，所述光束聚焦装置（138）配置为接收来自所述目标（152）的反射或散射光束，所述一个或多个扫描镜配置为向所述线性检测器阵列（144，146）提供一个或多个扫描光束。
12.根据权利要求7所述的光学检测装置，其中，所述第一测试传感器（128）是基于来自所述目标（152）的所述可能化学品的初始评估来选择的。
13.根据权利要求7所述的光学检测装置，其中，所述多个测试传感器中的每个测试传感器在提供所述输出之前被测试。
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