CN112798574A - 一种超快激光成丝对大气组分的远程实时探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超快激光成丝对大气组分的远程实时探测装置，包括激光光源，传输光路系统，光电信号采集与发射系统和光电信号接收与光谱分析系统。激光光源产生飞秒脉冲激光，经过传输光路系统聚焦之后，脉冲光束由于束腰处能量密度高于空气分子电离阈值，空气分子电离后电子回到母核发出荧光，利用无人机携带荧光高光谱相机对激光成丝位置光谱数据进行采集并实时传回光电信号接收与光谱分析系统，光电信号接收与光谱分析系统利用不同空气分子电离荧光光谱信号的差异实时计算并显示空气组分与浓度，由此实现超快激光成丝对大气组分的远程实时探测。
Description
技术领域
本发明涉及激光超快应用技术领域，尤其涉及一种飞秒激光传输成丝诱导大气击穿光谱的远程实时检测系统，适用于实时大气组分状况的探测。
背景技术
随着我国城市化进程的加快和工业化的快速发展，能源消耗大量增加，大气污染物的排放总量巨大，以重工业为主的产业结构，不合理的产业布局，以煤炭为主的能源结构，以及机动车保有量的快速增长，生活方式等方面，使得目前大气污染量使得目前大气污染物的排放总量远超环境承载力。另外，我们对于核设施的泄漏以及通过大气散布的危险气体和致病致残生化剂等突发重大污染事故的应急能力形式亦极为严峻。防治大气污染已成为我国生态文明建设的重要组成部分，对特殊突发环境的大气成分应急监控，亦将成为未来国家安全与社会发展的重要战略环节。
掌握大气污染组成成分和浓度等关键信息是控制和治理大气污染的前提和基础。目前大气组分探测技术主要分为两类。第一类是通过激光雷达技术测量特定波长吸收率，监测以CO\CO2为主的气体。通过快速扫描的激光雷达，可以实现远程测量吸收谱，从而实现大范围的大气组分检测。由于每种气体只吸收特定波长激光(比如测量CO2的激光雷达发射波长为1.57μm)，如果测量多组分气体时，需要搭载多个激光雷达载荷，当目标大气污染物较多时，该技术方案实施具有局限性。而且，在监测突发安全事件所释放大气污染物时，由于污染物不一定是载荷预设目标监测对象，因此，基于吸收谱测量的激光雷达技术应用受到限制。
另一类是通过光谱分辨或偏振分辨的光谱成像结果反演气溶胶为主的细颗粒物(雾霾)的地理分布、浓度和平均颗粒直径，以及可定量检测未知的成分或组分及其浓度等信息，其不足在于检测过程通过取样然后在实验室进行检测，属非现场检测，易丢失现场原始信息。
发明内容
为了克服上述检测方法的不足或者至少部分的完善，本发明提供了一种飞秒激光传输成丝诱导大气击穿光谱的远程检测系统。
本发明采用的技术方案为一种基于飞秒激光传输成丝诱导大气击穿光谱的远程实时检测系统，其中的组分包括：飞秒激光光源、光路系统、信号采集与发射系统、光电信号接收与光谱分析系统；其中，
所述的飞秒激光光源用于产生飞秒脉冲激光；
所述的光路系统用于调整飞秒激光的空间位置，用于大气组分检测；
所述的信号采集与发射系统用于对大气中激光成丝的荧光光谱进行探测，实时将数据传回光电信号接收与光谱分析系统中；
所述的光电信号接收与光谱分析系统用于接收来自信号采集与发射系统的数据，同时对大气组分进行实时分析并显示。
光路系统包括：用于固定光学元件的光学面包板、用于光束整形的空间光调制器、用于激光扩束的扩束镜、用于激光聚焦的透镜。飞秒脉冲激光经过空间光调制器整形成高斯线性，经过扩束镜扩束以减少飞秒脉冲激光传输过程中可能存在的能量损耗，最后经过长焦距透镜聚焦。
该系统的具体实现步骤如下：
S1：所述飞秒激光光源产生飞秒激光脉冲；
S2：所述的飞秒激光脉冲经过光路系统中的空间光调制器、扩束镜、聚焦镜之后，在空气中电离气体分子而产生一条光丝；
S31：当聚焦光束光腰位置能量大于大气分子的电离阈值，大气被击穿电离形成等离子体，激光脉冲作用后电子与母核发生复合，同时辐射出不同原子或分子特有的荧光光谱。
S32：所述的信号采集与发射系统对激光光丝位置进行定位，对荧光光谱进行数据采集，并回传到光电信号接收与光谱分析系统；
其中S32所述的信号采集与发射系统采用大疆无人机经纬M210 RTK V2携带xiSpec系列高光谱相机进行数据采集。
S4：光电信号接收与光谱分析系统接收来自信号采集与发射系统数据，对数据进行实时检测与分析。
其中S1所述的飞秒激光光源为相干公司生产的再生放大钛蓝宝石飞秒激光系统。
S2所述的空间光调制器采用美国Holoeye公司Reflective LCOS SLM，激光扩束器采用thorlabs公司GBE02-B扩束器，透镜采用80m焦距聚焦透镜。
其中S32所述的信号采集与发射系统采用大疆无人机经纬M210 RTK V2携带xiSpec系列高光谱相机进行数据采集。
整个飞秒激光传输成丝诱导大气击穿光谱的远程实时检测系统通过利用飞秒强激光经过特殊的光路系统后产生功率密度极高的长光腰脉冲，其在空气中传输时，当光束束腰位置能量强度高于大气分子或原子电离阈值，大气被电离击穿形成等离子体，等离子体发光形成光丝，当激光脉冲作用之后，光丝等离子体中的电子迅速与其母核发生复合，辐射出不同分子或原子特有的荧光光谱，采用无人机搭载的宽光谱相机对荧光光谱信息进行收集，利用网络通信装置与地面接收装置进行实时通信，将数据交由地面数据处理模块进行数据处理，由此实现基于飞秒激光传输成丝诱导大气击穿光谱的远程实时检测系统。
本发明相对于现有的实验装置有以下的两个优势：
其一，飞秒激光聚焦强度高，任何原子或分子都将电离或者解离，因此可获得大气成分的指纹光谱信息，具有极高的准确性和可靠性。
其二，飞秒激光传播距离长，且几乎无孔不入，能对现场无干扰的实时，快速读取大气成分的指纹光谱信息。因此，不仅不仅SO2、NO2、和CO这样简单的气态污染物，而且大生化分子、浮尘和气溶胶等具有复杂化学组成的大气污染源也会辐射出相应的特征指纹谱。通过采集并分析这些特征光谱，便可识别出污染物的化学成分。
附图说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
图1为本发明实施例提供的一种基于飞秒激光传输成丝诱导大气击穿光谱的远程实时检测系统的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的一种基于分秒激光传输成丝诱导大气击穿光谱的远程实时检测系统的结构详图。
图3为本发明实施例提供的一种基于分秒激光传输成丝诱导大气击穿光谱的远程实时检测系统的流程图。
图4为飞秒激光在空气中成丝的光谱。
图5为飞秒激光在氦气中成丝的光谱。
图6传输光路示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
如图1所示，本发明装置包括：激光光源1、传输光路系统2、光电信号采集与发射系统3、信号接收与光谱分析系统4；其中：
具体的，本发明实施例中采用飞秒激光光源1产生飞秒脉冲激光，这里采用的是钛宝石飞秒激光系统，主要包括激光震荡器，激光放大器。其中振荡器输出的飞秒激光能量较弱，作为种子源。放大器将种子源所产生的种子光进行放大，获得较高能量的飞秒激光脉冲输出，实际得到的飞秒激光中心波长800nm，重复频率1000hz,脉冲宽度35fs。
飞秒激光光源1产生的飞秒脉冲激光经过传输光路系统2，向大气传输高能量密度的飞秒脉冲激光，在激光光腰能量密度大于空气中气体分子的电离阈值时，产生光丝。激光在成丝的过程中会电离传播介质发射荧光光谱，这种光谱来源于等离子体的复合，而不同的等离子体复合由于阶跃能级的不同会产生不同的荧光光谱，基于这一原理，如果大气中出现了污染气体，激光在大气中成丝的光谱必然发生变化，我们可以根据光谱的变化来实时探测大气组分变化。
如图3所示，本发明示例中飞秒激光脉冲通过光路系统2，光路系统2主要为飞秒激光传输系统，通过空见光调制器、扩束镜、聚焦透镜，飞秒激光在透镜的焦距附近位置聚焦成丝，借此探测不同高度的大气组分和浓度变化。
光电信号采集与发射系统3采用无人机搭载荧光高光谱相机，对大气中光丝出现位置进行实时光谱采集，同时利用网络通信实时加密将数据传回信号接收与光谱分析系统4。
信号接收与光谱分析系统4采用网络通信接收数据解密并校验数据完整性，对光谱数据进行实时分析得出不同时刻的大气组分与浓度分析。利用C++编程并进行数据可视化，便于实时检测。
如图三所示，本发明提供一种飞秒激光传输成丝诱导大气击穿光谱的远程实时检测系统，该方法借助飞秒激光成丝电离不同空气分子产生的荧光光谱变化来实时探测大气组分和浓度变化具体包括：
S1：所述飞秒激光光源产生飞秒激光脉冲；
S2：所述的飞秒激光脉冲经过光路系统，经过第一反射镜组，第二分束镜，聚焦镜之后，在空气中电离气体分子而产生一条光丝；
S31：当聚焦光束光腰位置能量大于大气分子的电离阈值，大气被击穿电离形成等离子体，激光脉冲作用后电子与母核发生复合，同时辐射出不同原子或分子特有的荧光光谱。
S32：所述的信号采集与发射装置对激光光丝位置进行定位，对荧光光谱进行数据采集，并回传到光电信号接收与光谱分析系统；
S4：光电信号接收与光谱分析系统接收来自信号采集与发射系统数据，对数据进行实时检测与分析。
整个飞秒激光传输成丝诱导大气击穿光谱的远程实时检测系统通过利用飞秒强激光经过特殊的光路系统后产生功率密度极高的长光腰脉冲，其在空气中传输时，当光束束腰位置能量强度高于大气分子或原子电离阈值，大气被电离击穿形成等离子体，等离子体发光形成光丝，当激光脉冲作用之后，光丝等离子体中的电子迅速与其母核发生复合，同时辐射出不同分子或原子特有的荧光光谱，采用无人机搭载的宽光谱相机对荧光光谱信息进行收集，同时利用网络通信装置与地面接收装置进行实时通信，将数据交由地面数据处理模块进行数据处理，由此实现基于飞秒激光传输成丝诱导大气击穿光谱的远程实时检测系统。
本发明实施例中提供的基于飞秒激光传输成丝诱导大气击穿光谱的远程实时检测系统，解决了现有技术中存在易丢失现场原始信息，目标大气污染物较多时出现局限等问题，针对大气污染组成成分和浓度等关键信息进行检测，对大气污染检测和防治起到至关重要的作用，可以简单高效的动态实时检测大气组分变化，同时检测精度也有明显提升。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
图6传输光路示意图。
其中5为飞秒激光空间光调制器，6为激光扩束器，7为聚焦透镜。
Claims (6)
1.一种超快激光成丝对大气组分的远程实时探测系统，其特征在于，包括：飞秒激光光源、光路系统、信号采集与发射系统、光电信号接收与光谱分析系统；其中，
所述的飞秒激光光源用于产生飞秒脉冲激光；
所述的光路系统用于调整飞秒激光的空间位置，用于大气组分检测；
所述的信号采集与发射系统用于对大气中激光成丝的荧光光谱进行探测，实时将数据传回光电信号接收与光谱分析系统中；
所述的光电信号接收与光谱分析系统用于接收来自信号采集与发射系统的数据，同时对大气组分进行实时分析并显示。
2.根据权利要求1所述的一种超快激光成丝对大气组分的远程实时探测系统，其特征在于，光路系统包括：用于固定光学元件的光学面包板、用于光束整形的空间光调制器、用于激光扩束的扩束镜、用于激光聚焦的透镜；飞秒脉冲激光经过空间光调制器整形成高斯线性，经过扩束镜扩束以减少飞秒脉冲激光传输过程中可能存在的能量损耗，最后经过长焦距透镜聚焦。
3.根据权利要求2所述的一种超快激光成丝对大气组分的远程实时探测系统，其特征在于，所用的透镜为一个聚焦透镜或多个聚焦透镜的组合。
4.根据权利要求1所述的一种超快激光成丝对大气组分的远程实时探测系统，其特征在于，所述的光电信号采集与发射系统利用无人机携带荧光高光谱相机进行探测。
5.根据权利要求1所述的一种超快激光成丝对大气组分的远程实时探测系统，其特征在于，所述的光电信号收集与光谱检测系统利用激光大气成丝光谱变化探测大气组分和浓度，并通过计算机系统实时显示。
6.根据权利要求1所述的一种超快激光成丝对大气组分的远程实时探测系统，其特征在于，该系统的具体实现步骤如下：
S1：所述飞秒激光光源产生飞秒激光脉冲；
S2：所述的飞秒激光脉冲经过光路系统中的空间光调制器、扩束镜、聚焦镜之后，在空气中电离气体分子而产生一条光丝；
S31：当聚焦光束光腰位置能量大于大气分子的电离阈值，大气被击穿电离形成等离子体，激光脉冲作用后电子与母核发生复合，同时辐射出不同原子或分子特有的荧光光谱；
S32：所述的信号采集与发射系统对激光光丝位置进行定位，对荧光光谱进行数据采集，并回传到光电信号接收与光谱分析系统；
S4：光电信号接收与光谱分析系统接收来自信号采集与发射系统数据，对数据进行实时检测与分析。
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