CN112558080A - 一种基于中红外超快激光的新型激光探测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于中红外超快激光的新型激光探测仪，属于激光技术和测量技术领域。本发明所述的新型激光探测仪，主要包括光源系统、光束变向系统、光束整形系统、探测系统、信号处理系统、可封闭结构，本发明利用中红外波段的超快激光峰值功率高，信噪比高，高重频的特性，对被测物体距离、被测物体所处环境的气体种类和浓度进行探测。具有装置简单、测量精度高、可在能见度低的条件下工作的优点。本发明可应用于高精度探测、军事、工程测量等领域。

Description

一种基于中红外超快激光的新型激光探测仪
技术领域
本发明属于激光技术和测量技术领域，具体的说是涉及一种基于中红外超快激光新型探测仪。
背景技术
超快中红外激光具有很多优势，脉冲宽度在皮秒(10-12s)甚至飞秒(10-15s)量级的，具有脉冲宽度小、峰值功率高(大于千瓦)、重复频率高(>MHz)等优良性能。使得探测范围大，测量精度高，响应速度高。利用中红外超快激光的上述几种优势，本发明旨在提出一种基于超快激光的新型探测仪，该新型探测仪将实现物质探测，及激光测距。超快激光与连续激光以及传统的长脉冲激光不同，具有超短脉冲和超强特性，能以较低的脉冲获得很高的峰值光强。光在大气中传播，受大气物质引发散射、吸收等效应，随行经的路径越长，光强越弱，回波信号越弱，又因现有探测器灵敏度有限，弱回波信号无法被有效接收，通常情况下，激光峰值功率的高低决定激光探测的有效量程。中红外超快激光的高峰值功率即高能量特性，保障了该光源具有强穿透性，可探测距离长，较非超快激光有明显优势。因此在该类光作为探测仪使用时，可实现极端条件下的工作，如低能见度天气状况。
中红外超快激光具有脉冲宽度小的特点，脉冲信号在大气中传播时，由于大气中粒子的散射和湍流作用，将导致脉冲时域宽度发生改变，产生脉冲时间展宽效应，脉冲展宽会引发脉冲能量的逸散，间接地会影响光的有效测量距离，中红外超快激光的窄脉宽特性保障了激光的强穿透性。
随着测量技术的进步，气体检测技术不断发展更新。常见的气体检测方法有电化学检测法、催化燃烧法、色谱分析法、红外光谱吸收法等，不同的检测方法有着不同的特点。电化学检测方法是通过电极之间的电势差来检测待测气体，其缺点是精度有限、操作复杂。催化燃烧检测法是利用强催化剂让待测气体在敏感元件的表面燃烧产生热，使得敏感元件的温度升高，从而实现待测气体检测。该检测方法适用于浓度较高的气体检测，在较低浓度的气体检测应用领域受到了限制。色谱分析检测法是根据不同的物理性质，对物质中各组分进行选择性分配，最终达到分离的目的。色谱分析法虽然检测精度相对较高，但检测过程繁琐、费用较高、很难进行实时在线监测。红外光谱吸收法又称为红外气体检测技术，是指利用气体分子的红外吸收光谱通过测量其对特定波长光的吸收来对其进行浓度检测的技术，既可以定量的分析被检测气体的浓度，还可以定性的分析混合气体中的相关气体成分。其基本理论依据是朗伯-比尔定律：特定波长的激光通过待测气体后，激光强度的衰减量与待测气体浓度和有效吸收路径有关。与前面提到的其他气体探测方法相比，红外吸收光谱法无需对目标样品进行取样和预处理，具有较高的时间分辨率，高灵敏度、无需接触检测、超快响应速度、实时在线检测、操作简单、较好的敏感物种特异性检测能力等优点，可实现实时、在线、原位测量，因此成为无色无味痕量气体检测的最常用方法。
激光也被广泛应用于测距工作中，激光探测仪被广泛应用于工程，国防军事等领域。而目前市面上的激光探测仪，大多使用波长在635nm，650nm的肉眼可见的红色激光或波长在532nm的绿色激光等。该类激光的测量范围较小，测量精度相对较低，且为肉眼可见光易产生光污染。目前市面上存在的探测仪，其气体探测仪用于环境监测，其固体液体探测仪用于工程建筑领域，市面上的现有的探测仪大多都是一个体积庞大的装置，其集成度低不利于携带，其次由于激光本身特性的限制，穿透能力较低，使探测仪使用的条件受到限制。
随着技术发展，以及对测量效率，测量精度探测范围要求等的提高，解决现有探测仪探测功能单一，及探测仪集成度低，结构复杂问题。本发明提供一种基于中红外超快激光的新型探测仪，在基础探测，国防军事，工程探测具有重大意义。
发明内容
为了解决现有探测装置或测距仪所实现功能单一，探测适用范围小、灵敏度差测量精度低的问题。本发明提供一种基于中红外超快激光的新型探测仪。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下，一种基于中红外超快激光的新型激光探测仪，包括：光源系统、光束变向系统、光束整形系统、探测系统、信号处理系统；
光源系统包括中红外超快激光器；光束变向系统包括第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜、第五全反镜；光束整形系统包括窗口片、第一带曲率反射镜、第二带曲率反射镜、第三带曲率反射镜；探测系统包括内光电探测器、外光电探测器；信号处理系统包括接收电路、控制处理器、接口电路、上位机；可封闭窗口；
所述中红外超快激光器用于发射中红外波段的皮秒激光，激光经过窗口片,窗口片将激光分为透射激光和反射激光，反射激光在依次经过第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜被内光电探测器接收，透射激光经由第一带曲率反射镜、第二带曲率反射镜、第三带曲率反射镜进行光束整形，调整光斑大小；调整后的激光经第五全反镜发射至外部环境进行探测，透射激光在外部环境中传播，传播过程中反射回波信号被外探测器接收，内光电探测器和腔外探测器将光信号转换为电信号发送至接收电路，接收电路将信号发送至控制处理器,控制处理器将信号发送至接口电路，接口电路将信号发送至上位机作处理运算。
所述中红外超快激光器，包含可饱和吸收体与增益介质，可为固体增益介质或光纤增益介质，光源工作方式为脉冲激光，脉冲宽度为皮秒，脉冲重复频率大于兆赫兹，通过更换光源，激光器输出激光的波长可选但不限于1500nm、2000nm、3400nm。
所述窗口片，为透射率70％、反射率30％，或透射率50％、反射率50％的反射式镜片。
所述光束整形系统，控制带曲率反射镜角度，调整透射激光的光束直径，可输出15微米的最小光束直径。
所述的新型激光探测仪设有可封闭窗口，通过调整可封闭窗口的开关，可将激光探测仪在完全封闭结构和开放结构之间切换，完全封闭结构下，外部物质无法进入内部探测区，与外界隔离；开放结构下，探测器内部与外部相通，透射激光与反射激光处于同一环境下。
所述的光束变向系统，使反射激光在测量仪内部多次反射。
所述内光电传感器、外光电传感器，由带有前置放大器的达通型雪崩二级管组成，对1微米至3微米波段的激光，灵敏度高，响应速度快，具体参数为入射光功率5.0至5000微瓦，放大器电源电压±5.5至±12.5V，系统带宽大于1GHz。
所述信号处理系统由接收电路、控制处理器、接口电路、上位机组成，信号处理系统可达到1.5GHz以上的处理速度。
所述内光电传感器、外光电传感器与信号处理器之间通过有线连接。
所述接口电路支持无线通信功能，有效可通信距离为300m，传输速度上限为24Mbps，为蓝牙模块或WIFI模块。
在控制终端发射控制信号，控制信号由新型探测仪的信号处理器接收，并控制中红外超快激光器发射2微米波段中红外超快激光，激光出射至窗口片，窗口片将激光分为透射激光和反射激光，反射激光在腔内依次经过第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜，被内光电探测器接收，透射激光经由第一带曲率反射镜、第二带曲率反射镜、第三带曲率反射镜进行光束整形，调整光斑大小；调整后的激光经第五全反镜发射至外部探测，透射激光在探测器外传播，传播过程中反射回波信号被外探测器接收，内光电探测器和腔外探测器将光信号转换为电信号发送至接收电路，接收电路将信号发送至控制处理器,控制处理器将信号发送至接口电路，接口电路将信号发送至上位机作处理运算。
窗口片将出射激光分为透射光与反射光，反射光在腔内经由全反镜发生反射，通过光电探头采集发射光信号。光在腔内行经的路程L已知，Ta3为发射光信号接收时刻，腔内实际光速c易得，
c＝L/(Ta3-Ta1),
其中c为实际光速；Ta1发射激光脉冲信号；Ta3为发射信号接收时刻。
透射光传播至目标物体，根据激光所发出的脉冲信号在被测目标物体激光发射模块之间的飞行时间，从而确定被测物体距离，可根据公式，可计算出射激光与被测物距离S
S＝c*(Ta2-Ta1)/2
其中c为光速；Ta1发射激光脉冲信号；Ta2为信号接收时刻。根据上述公式进一步得出测距信息，完成探测仪的测距功能。
(Ta2-Ta1)是激光出射与接收的时间间隔，是测距的关键，脉冲激光雷达利用时钟晶体振荡器和脉冲计数器来确定时间t，时钟晶体振荡器用于产生固定频率的电脉冲振荡，脉冲的时间间隔Δt，可根据Δt＝1/f，f为激光的重复频率，脉冲计数器的作用就是对晶体振荡器产生的电脉冲计数N。如图—所示，信息脉冲为发射脉冲，整形脉冲为回波脉冲，从发射脉冲开始，晶振产生脉冲与计数器开始计数时间上是同步触发的。因此时间间隔t＝N*Δt,由此可计算出
Figure BDA0002741609900000041
所述的一种新型激光探测仪可以用于测量待测气体浓度，如甲烷、一氧化氮等气体；由于大气对电磁波散射和吸收等因素，一部分波段的太阳辐射在大气层中的透过率很小或根本无法通过。本文所述的中红外激光器光源可选用波长为1.8-3μm波段的激光，中红外波段属于特殊波段，对于多种气体，如CO、CH4，均具有强吸收效应，根据回波信号的强度，易得气体的浓度分布。
光在不同介质中传播的速度为
Figure BDA0002741609900000051
C为光在真空中的传播速度为3*10^8m/s，n为介质的折射率，折射率
Figure BDA0002741609900000052
μ为传播介质的磁导率，ε为传播介质的介电常数。
如探测器与被探测物处于陌生气体和液体环境下，在陌生传播环境下，由于传播介质的磁导率μ和介电常数ε未知，在实际光速位置的情况下，常规激光探测仪所测量的被测物与观测点之间的距离与真实数据存在偏差，偏差大小取决于选定的光速c。
当本文所述的一种新型激光探测仪处于陌生环境下工作时，如在陌生水域或陌生大气层中测距，当水进入待测腔中，腔内光程已知，窗口片将激光分为出射激光与反射激光，水进入腔内，反射激光在水中反射，被光电探测器接收，根据反射激光发射时间与反射激光被接收的时间差计算出实际光速；出射激光在水中传播，外光电探测器实时接收出射激光的回波信号，并根据回波信号的强度信息转换为电信号，发送至信号处理端，信号处理端根据发射激光和出射激光对应的内光电探测器和外光电探测器的数据，计算出水中的光传播速度以及待测区域的情况或被测物距离观测点的距离。
红外光谱吸收法又称为红外气体检测技术，是指利用气体分子的红外吸收光谱通过测量其对特定波长光的吸收来对其进行浓度检测的技术，既可以定量的分析被检测气体的浓度，还可以定性的分析混合气体中的相关气体成分。其基本理论依据是朗伯-比尔定律：特定波长的激光通过待测气体后，激光强度的衰减量与待测气体浓度和有效吸收路径有关。
根据红外光谱的Lambert-Beer定律，强度为I0，频率为V的单色激光，通过长度为L的吸收介质后，在接收端测得的强度为I，则在接收端测得的强度I有：
I(v)＝I0(v)e(-σ(v)NL)
其中，σ(v)为气体分子的吸收截面，N为分子数密度。
因气体体积已知，腔内体积已知，分子数密度即气体浓度已知，
Figure BDA0002741609900000053
气体分子的吸收截面，可由上述公式计算而得。
Figure BDA0002741609900000054
根据对应的气体分子的吸收截面可确定气体种类。
本文所述的一种新型激光探测仪的激光光源为优良相干光源，发射的激光为脉冲激光，接收到的回波信号也为脉冲信号。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果为：
1、高空间分辨率，利用光束整形系统，调整探测光的光束直径，决定了探测探测光斑的可达到最小在15μm，15μm量级的光斑使本发明所述的探测仪具有优于现有技术的空间分辨率，可以用于高精度的探测采样使用。
2、高时间分辨率，中红外超快激光的高重频特性决定的高脉冲频率(MHz),窄脉宽皮秒(10-12s)甚至飞秒(10-15s)，远远优于现有技术普遍使用的纳秒(10-9)级光源，决定了本发明所述的探测器在使用中，脉冲响应时间的精度为现有纳秒级激光探测仪的千倍(103)甚至百万倍(106)以上。
3、探测距离远，响应精度高，峰值功率高(瓦级)，高重频(近百兆赫兹)的特点可以实现远距离能见度低的环境下精准探测。实时采集出射激光的回波信号，通过回波信号，有效反馈光传播区域的情况。
4、集探测与测量于一体
实时探测精度高，集探测与测量于一体，本发明可用于复杂未知情况，如海底、高原、矿井中，实时测量当前介质中光的传播速度，并根据所计算出的速度对待测区域作精准测量。
5、用途广泛，前景良好，中红外激光属于特殊波段，多种气体，如水、甲烷、二氧化碳、一氧化碳等气体的吸收峰值处于中红外波段，该波段中某特定波段也处于大气窗口波段。利用该特性，并根据所述的新型激光探测仪可以用于甲烷、二氧化碳、一氧化碳的浓度监测，在矿井、油田等方向具有广泛应用。
附图说明
图1是一个实施例的用于一种基于中红外超快激光的新型激光探测仪结构示意图；
图2是一个实施例的出射激光、反射激光、透射激光的时域脉冲信号示意图；
图3是一个实施例的激光探测仪探测气体种类的示意图(实施例2)；
图4是一个实施例的CO2气体红外吸收光谱图；
图5是一个实施例的回波信号的时域脉冲信号示意图；
图6是一个实施例的气体浓度测量使用示意图(实施例3)；
图7是一个实施例的CH4气体红外吸收光谱图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相关的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式的理解的是，本文描述的实施例可以与其它实施例相结合。
为使本发明的上述目的、特征优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
实施例1基于本发明新型激光探测仪在陌生液体中作距离测量。
一种基于中红外超快激光的新型激光探测仪结构如图1所示，包括：光源系统、光束变向系统、光束整形系统、探测系统、信号处理系统；
光源系统包括中红外超快激光器；光束变向系统包括第一全反镜31、第二全反镜32、第三全反镜33、第四全反镜34；光束整形系统包括窗口片20、第一带曲率反射镜21、第二带曲率反射镜22、第三带曲率反射镜23、第五全反镜24；探测系统包括内光电探测器41、外光电探测器42；信号处理系统包括接收电路50、控制处理器51、接口电路52、上位机53；可封闭窗口6；出射激光7，透射激光9,反射激光8,回波信号10,被测物11；
中红外激光器1,选用波长为1500nm，重频16.8MHz，脉宽14ps，工作电压12v，工作温度-40℃～+80℃的中红外光源；
窗口片20,选用透射率80％，反射率20％的反射镜；
第一带曲率反射镜21、第二带曲率反射镜22、第三带曲率反射镜23，选用焦距10mm的反射镜；
第一全反镜31、第二全反镜32、第三全反镜33、第四全反镜34、第五全反镜,选用反射率99％的金镜；
内光电探测器41、外光电探测器42，由带有前置放大器的达通型雪崩二级管组成，对1.8微米至3微米波段的光灵敏度高，响应速度快，具体参数为入射光功率5.0至5000微瓦，放大器电源电压±5.5至±12.5V，系统带宽大于1GHz；
可封闭窗口6，窗口打开，探测器腔内浸于液体中；
出射激光7，波长为1500nm，重频16.8MHz，脉宽14ps，强度为D；
反射激光8，波长为1500nm，重频16.8MHz，脉宽14ps，强度为D2；
透射激光9，波长为1500nm，重频16.8MHz，脉宽14ps，强度为D1；
回波信号10，波长为1500nm，重频16.8MHz，脉宽14ps，强度为D3；
被测物11，为方形石块，长为15cm，宽为5cm，高为5cm；
接收电路50，模数转换电路，FPGA数字电路；
控制处理器51，STM32单片机；
接口电路52，蓝牙5.0模块；
上位机53，为支持蓝牙通信的笔记本电脑；
将新型激光探测仪置于液体中，在控制终端发射控制信号，控制信号由新型探测仪的信号处理器接收，并控制中红外超快激光器1发射2微米波段中红外超快激光，激光出射至窗口片，窗口片2将强度为D的出射激光7分为透射激光9和反射激光8，透射激光9强度为D1,反射激光8强度为D2，如图2所示，左1为出射激光7时域信号示意图，左2为透射激光9时域信号示意图和左3为反射激光8时域信号示意图；
D1＝0.8D，
D2＝0.2D，
透射激光9经过光束整形系统进行聚焦，光斑直径缩小，反射激光在充满液体的腔内依次经过第一全反镜31、第二全反镜32、第三全反镜33、第四全反镜33被内光电探测器41接收，内光电探测器41将光信号转换为电信号发送至接收电路50，接收电路中模数转换电路完成模拟信号采样，实现模拟到数字的转化处理，FPGA核心板完成队模数转换电路芯片功能的配置，并实现对高速数字信号的接收和缓存处理，做控制处理器51的STM32单片机完成对电路的控制，接收和存储来自FPGA的数字信号，并将数字信号发送至接口电路52，接口电路经由蓝牙无线传播发送至上位机53。
反射激光8在腔内行经的路程L已知，Ta3为发射光信号接收时刻，腔内实际光速c易得，
c＝L/(Ta3-Ta1),
其中c为实际光速；Ta1为出射激光7发射时刻；Ta3为反射激光9接收时刻。
透射激光9在液体中传播至被测物11，反射回波信号10，回波信号10被外光电探测器42接收，外光电探测器41将光信号转换为电信号发送至信号处理器。
Ta1为出射激光7发射时刻；Ta2为回波信号接收时刻。
计算出射激光与被测物距离S，
S＝c·(Ta2-Ta1)/2，
其中c为光速；Ta1发射激光脉冲信号；Ta2为信号接收时刻。根据上述公式进一步得出测距信息，完成探测仪的测距功能。
(Ta2-Ta1)是激光出射与接收的时间间隔，是测距的关键，脉冲激光雷达利用时钟晶体振荡器和脉冲计数器来确定时间t，时钟晶体振荡器用于产生固定频率的电脉冲振荡，脉冲的时间间隔Δt，可根据Δt＝1/f，f为激光的重复频率，脉冲计数器的作用就是对晶体振荡器产生的电脉冲计数N。从发射脉冲开始，晶振产生脉冲与计数器开始计数时间上是同步触发的。因此时间间隔t＝N*Δt,由此可计算出
Figure BDA0002741609900000091
实施例2基于本发明新型激光探测仪测量气体种类。
一种基于中红外超快激光的新型激光探测仪结构如图1所示，包括：光源系统、光束变向系统、光束整形系统、探测系统、信号处理系统；
如图3所示，光源系统包括中红外超快激光器1；光束变向系统包括第一全反镜31、第二全反镜32、第三全反镜33、第四全反镜34；光束整形系统包括窗口片20、第一带曲率反射镜21、第二带曲率反射镜22、第三带曲率反射镜23、第五全反镜24；探测系统包括内光电探测器41、外光电探测器42；信号处理系统包括接收电路50、控制处理器51、接口电路52、上位机53；可封闭窗口6；出射激光7，反射激光8,透射激光9,回波信号10,待测气体111；
中红外激光器1,选用波长为2400nm，重频16.8MHz，脉宽14ps，工作电压12v，工作温度-40℃～+80℃的中红外光源；
窗口片2,选用透射率80％，反射率20％的反射镜；
第一带曲率反射镜21、第二带曲率反射镜22、第三带曲率反射镜23，选用焦距10mm的反射镜；
第一全反镜31、第二全反镜32、第三全反镜33、第四全反镜34，第五反射镜24,选用反射率99％的金镜；
内光电探测器41、外光电探测器42，由带有前置放大器的达通型雪崩二级管组成，对1.8微米至3微米波段的光灵敏度高，响应速度快，具体参数为入射光功率5.0至5000微瓦，放大器电源电压±5.5至±12.5V，系统带宽大于1GHz；
可封闭窗口6，窗口封闭；
出射激光7，波长为2000nm，重频16.8MHz，脉宽14ps，强度为D；
反射激光8，波长为2000nm，重频16.8MHz，脉宽14ps，强度为D2；
透射激光9，波长为2000nm，重频16.8MHz，脉宽14ps，强度为D1；
回波信号10，波长为2000nm，重频16.8MHz，脉宽14ps，强度为D3；
待测气体111，CO2气体，体积V2；
接收电路50，模数转换电路，FPGA数字电路；
控制处理器51，STM32单片机；
接口电路52，蓝牙5.0模块；
上位机53，为支持蓝牙通信的笔记本电脑；
在腔内混入一定体积的待测气体，封闭激光探测仪。在控制终端发射控制信号，控制信号由新型探测仪的信号处理器接收，并控制中红外超快激光器1发射2微米波段中红外超快激光，激光出射至窗口片，窗口片102将强度为D的出射激光7分为透射激光8和反射激光9，反射激光8强度为D1,透射激光9强度为D2；
D1＝0.8D，
D2＝0.2D，
反射激光在充满待测气体的腔内依次经过第一全反镜31、第二全反镜31、第三全反镜32、第四全反镜33被内光电探测器41接收，内光电探测器41将光信号转换为电信号发送至接收电路50，反射光接收光信号强度为D3，接收电路中模数转换电路完成模拟信号采样，实现模拟到数字的转化处理，FPGA核心板完成对模数转换电路芯片功能的配置，并实现对高速数字信号的接收和缓存处理，做控制处理器51的STM32单片机完成对电路的控制，接收和存储来自FPGA的数字信号，并将数字信号发送至接口电路52，接口电路经由蓝牙无线传播发送至上位机53。
二氧化碳气体的红外吸收光谱如图4所示。
根据红外光谱的Lambert-Beer定律，强度为I0，频率为V的单色激光，通过长度为L的吸收介质后，在接收端测得的强度为I，则在接收端测得的强度I有：
I(v)＝I0(v)e(-σ(v)NL)
其中，σ(v)为气体分子的吸收截面，N为分子数密度。
因气体体积已知，腔内体积已知，分子数密度即气体浓度已知，
Figure BDA0002741609900000111
气体分子的吸收截面，可由上述公式计算而得。
Figure BDA0002741609900000112
待测气体的气体分子吸收截面可测得。根据数据确定气体种类为CO2。
实施例3基于本发明新型激光探测仪探测甲烷气体浓度。
一种基于中红外超快激光的新型激光探测仪结构如图6所示，包括：光源系统、光束变向系统、光束整形系统、探测系统、信号处理系统；
光源系统包括中红外超快激光器1；光束变向系统包括第一全反镜31、第二全反镜32、第三全反镜33、第四全反镜34；光束整形系统包括窗口片2、第一带曲率反射镜21、第二带曲率反射镜22、第三带曲率反射镜23、第五全反镜24；探测系统包括内光电探测器41、外光电探测器42；信号处理系统包括接收电路50、控制处理器51、接口电路52、上位机53；可封闭窗口6；出射激光7，反射激光8，透射激光9，回波信号10,障碍物111；
中红外激光器1，选用波长为3400nm，重频16.8MHz，脉宽14ps，工作电压12v，工作温度-40℃～+80℃的中红外光源；
窗口片2,选用透射率80％，反射率20％的反射镜；
第一带曲率反射镜21、第二带曲率反射镜22、第三带曲率反射镜23，选用焦距10mm的反射镜；
第一全反镜31、第二全反镜32、第三全反镜33、第四全反镜34，第五反射镜24，选用反射率99％的金镜；
内光电探测器41、外光电探测器42，由带有前置放大器的达通型雪崩二级管组成，对1.8微米至3微米波段的光灵敏度高，响应速度快，具体参数为入射光功率5.0至5000微瓦，放大器电源电压±5.5至±12.5V，系统带宽大于1GHz；
可封闭窗口6，窗口封闭；
出射激光7，波长为3000nm，重频16.8MHz，脉宽14ps，强度为D；
反射激光8，波长为3000nm，重频16.8MHz，脉宽14ps，强度为D2；
透射激光9，波长为3000nm，重频16.8MHz，脉宽14ps，强度为D1；
回波信号10，波长为3000nm，重频16.8MHz，脉宽14ps，强度为D3；
障碍物(111)，为方形石块，长为15cm，宽为5cm，高为5cm，反射率T，依次置于a，b，c点；
接收电路50，模数转换电路，FPGA数字电路；
控制处理器51，STM32单片机；
接口电路52，蓝牙5.0模块；
上位机53，为支持蓝牙通信的笔记本电脑；
在上位机发射控制信号，控制信号由新型探测仪的接口电路52接收，接口电路52将控制信号发送至控制处理器51，控制处理器51控制中红外超快激光器1发射2微米波段中红外超快激光，激光出射至窗口片2，窗口片2将强度为D的出射激光7分为反射激光8和透射激光9，反射激光8强度为D1,透射激光9强度为D2，回波信号10；
D1＝0.8D，
D2＝0.2D，
在a，b，c三处甲烷不同浓度点依次放置障碍(211)，透射激光传播过程中依次经过甲烷气体不同浓度区域01/02/03，并反射回波信号，回波信号如图5所示。
根据红外光谱的Lambert-Beer定律，强度为I0，频率为V的单色激光，通过长度为L的吸收介质后，在接收端测得的强度为I，则在接收端测得的强度I有：
I(v)＝I0(v)e(-σ(v)NL)，
其中，σ(v)为气体分子的吸收截面，N为分子数密度。
甲烷气体的红外吸收光谱如图7所示。
所以，分子数密度N即气体浓度可得：
Figure BDA0002741609900000121
根据实施例1所述，新型激光探测仪可根据回波信号的时间差，测得激光探测仪据a点的距离La，b点的距离Lb，c的距离Lc，如图5所示，a点处的回波信号能量强度为h+h1+h2+h3，b点处回波信号强度为h+h2+h3，c点处回波信号强度为h+h3，考虑到障碍物表面反射程度一致，易得，a与b之间的气体浓度为：
Figure BDA0002741609900000131
同理，b与c之间的气体浓度为：
Figure BDA0002741609900000132
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于中红外超快激光的新型激光探测仪，其特征在于，所述新型激光探测仪包括：光源系统、光束变向系统、光束整形系统、探测系统、信号处理系统；
光源系统包括中红外超快激光器；光束变向系统包括第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜、第五全反镜；光束整形系统包括窗口片、第一带曲率反射镜、第二带曲率反射镜、第三带曲率反射镜；探测系统包括内光电探测器、外光电探测器；信号处理系统包括接收电路、控制处理器、接口电路、上位机；可封闭窗口;
所述中红外超快激光器用于发射中红外波段的皮秒激光，激光经过窗口片,窗口片将激光分为透射激光和反射激光，反射激光在依次经过第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜被内光电探测器接收，透射激光经由第一带曲率反射镜、第二带曲率反射镜、第三带曲率反射镜进行光束整形，调整光斑大小；调整后的激光经第五全反镜发射至外部环境进行探测，透射激光在外部环境中传播，传播过程中反射回波信号被外探测器接收，内光电探测器和腔外探测器将光信号转换为电信号发送至接收电路，接收电路将信号发送至控制处理器, 控制处理器将信号发送至接口电路，接口电路将信号发送至上位机作处理运算。
2.根据权利要求1所述的一种基于中红外超快激光的新型激光探测仪，其特征在于，所述中红外超快激光器，包含可饱和吸收体与增益介质，可为固体增益介质或光纤增益介质，光源工作方式为脉冲激光，脉冲宽度为皮秒，脉冲重复频率大于兆赫兹，通过更换光源，激光器输出激光的波长可选但不限于1500nm、2000nm、3400nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于中红外超快激光的新型激光探测仪，其特征在于，所述窗口片为透射率70%、反射率30%，或透射率50%、反射率50%的反射式镜片。
4.根据权利要求1所述的一种基于中红外超快激光的新型激光探测仪，其特征在于，所述光束整形系统，控制带曲率反射镜角度，调整透射激光的光束直径，可输出15微米的最小光束直径。
5.根据权利要求1所述的一种基于中红外超快激光的新型激光探测仪，其特征在于，所述的新型激光探测仪设有可封闭窗口，通过调整可封闭窗口的开关，可将激光探测仪在完全封闭结构和开放结构之间切换，完全封闭结构下，外部物质无法进入内部探测区，与外界隔离；开放结构下，探测器内部与外部相通，透射激光与反射激光处于同一环境下。
6.根据权利要求1所述的一种基于中红外超快激光的新型激光探测仪，其特征在于，所述的光束变向系统，使反射激光在测量仪内部多次反射。
7.根据权利要求1所述的一种基于中红外超快激光的新型激光探测仪，其特征在于，所述内光电传感器、外光电传感器，由带有前置放大器的达通型雪崩二级管组成，响应波长1-3微米，具体参数为入射光功率5.0至5000微瓦，放大器电源电压±5.5至±12.5V，系统带宽大于1GHz。
8.根据权利要求1所述的一种基于中红外超快激光的新型激光探测仪，其特征在
于，所述信号处理系统由接收电路、控制处理器、接口电路、上位机组成，信号处理系统可达到1.5GHz以上的处理速度。
9.根据权利要求1所述的一种基于中红外超快激光的新型激光探测仪，其特征在于，所述内光电传感器、外光电传感器与信号处理器之间通过有线连接。
10.根据权利要求8所述的一种基于中红外超快激光的新型激光探测仪，其特征在于，所述接口电路支持无线通信功能，有效可通信距离为300m，传输速度上限为24Mbps，为蓝牙模块或WIFI模块。
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