CN205941354U - 一种危化品遥感探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种危化品遥感探测装置，其按照光传输路径依次包括：(1)波长可调谐的脉冲式外腔量子级联激光器；(2)离轴抛物面镜；(3)卡塞格林望远镜激光接收系统；(4)微悬臂梁一迈克尔逊干涉系统，其包括可见光半导体激光器、分束器、平面反射镜、微悬臂梁、光电探测器；(5)基于计算机的信号处理和分析单元；(6)预警报警系统。本实用新型可实现微弱信号的高灵敏度检测，能同时检测多种危化品，具有结构简单、便于操作、便携性和实用性强之优点。

Description

一种危化品遥感探测装置

技术领域

本实用新型属于激光遥感探测和危化品检测技术领域，尤其涉及一种基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测装置。

背景技术

在各类社会矛盾凸显，暴恐突现的今天，危险化学品造成的社会公共安全问题引起了社会各界的广泛重视。尤其是2001年美国911事件，2005年伦敦七七爆炸案，2013年波士顿马拉松爆炸案等恐怖事件后，如何快速有效探测易燃易爆物和化学战剂成为各国公共安全领域亟待解决的重大问题。研制快速，高效、准确的危化品远距离检测早期预警系统对提高我国公共安全防范能力和保障人民生命安全具有重要的现实意义。

目前，国内外所采用的危化品检测技术主要有各种光谱分析技术、气相色谱技术、离子迁移谱技术、声表面波技术、微电机系统传感技术、质谱法、荧光传感技术、生物传感器等。根据检测方式主要分为接触式和非接触式两种。将激光吸收光谱分析技术用于安全检测领域，具有独特的优势：(1)不同危化品成分在红外波段具有不同的特征吸收“指纹谱”，为鉴别不同危化品的种类提供可靠依据；(2)响应速度快，灵敏度高；(3)非接触式探测，保障检测人员人身安全。

申请号201010583546.6的中国专利公开了基于中红外量子级联激光器，利用直接吸收光谱技术检测痕量气体的装置及方法；申请号201510056466.8的中国专利公开了基于中红外量子级联激光器，并结合波长解调技术探测痕量气体的装置及方法；前者需将待测气体抽入吸收池内检测，后者虽可检测开放大气，但只能用于固定点监测，移动性差，操作繁琐，以上两种专利都是非遥感式探测；申请号201110188274.4的中国专利采用OPO激光器作为激光发射源，激光雷达接受系统接收回波，光电探测系统解调光信号，利用激光雷达的差分吸收测量大气中爆炸敏感物质如丙酮浓度，一次只能探测单一成 分；上述装置均以吸收光谱技术为基础，直接利用光电探测器或结合波长调制技术(数字锁相放大器)解调光信号，再进行气体种类和浓度信息反演。

然而，针对爆炸物和危化品检测这一生命攸关的技术领域，现有遥感探测技术的测量精度，尤其是对微弱信号的响应和探测灵敏度尚有待大幅度提高，可同时检测的危化品成分种类较为单一，且装置和光路设计往往较为复杂，操作不便，实用性不强。

实用新型内容

针对现有检测装置和系统存在的上述缺陷，本实用新型提供一种危化品遥感探测装置，该装置可实现微弱信号的高灵敏度检测，能同时检测多种危化品，具有结构简单、便于操作、便携性和实用性强之优点。

为实现上述目的，本实用新型装置按照光传输路径依次包括：

(1)波长可调谐的脉冲式外腔量子级联激光器：根据目标气体种类选择匹配的激光发射波段；

(2)离轴抛物面镜：将激光聚焦准直后反射至待检测气体表面；

(3)卡塞格林望远镜激光接收系统：收集待检测目标气体反射或散射回的激光并聚焦至微悬臂梁表面；

(4)微悬臂梁-迈克尔逊干涉系统：该系统包括可见光半导体激光器、分束器、平面反射镜、微悬臂梁、光电探测器；微悬臂梁谐振信息通过迈克尔逊相位干涉计解调获得，所述光电探测器将所述干涉信号转化为电信号；

(5)基于计算机的信号处理和分析单元：反演待检测目标气体信息；

(6)预警和报警系统；

具体地，所述量子级联激光器发射激光与所述离轴抛物面镜之间的入射角和反射角呈45°；

具体地，所述离轴抛物面镜聚焦准后的反射光与所述卡塞格林望远镜激光接收系统光路同轴，并沿其轴心方向传播。

进一步地，所述卡塞格林望远镜镀有中红外增透膜，以增强对目标气体反射和散射光的收集效率。

进一步地，所述微悬臂梁设置于所述卡塞格林望远镜焦点处。

具体地，所述脉冲式外腔量子级联激光中心辐射波长为5～13μm，波长调谐范围±150cm^-1，脉冲重复率可达3MHz量级，平均功率为20mW。

具体地，所述微悬臂梁-迈克尔逊干涉系统中各单元位置及光路设计如下：所述可见光半导体激光器输出的激光经分束器分成两束光路，一束经所述分束器反射后到达所述平面反射镜，反射回所述分束器，再通过该分束器到达所述光电探测器，另一束通过所述分束器射至所述微悬臂梁表面，再反射回所述分束器，经该分束器反射至所述光电探测器。

优选地，所述微悬臂材质为氮化硅。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本装置首次将中红外量子级联激光吸收光谱技术和基于微悬臂梁的迈克尔逊相位干涉技术创造性地相结合，采用特定光路设计测量危化品红外“指纹”吸收光谱，配合适当数据处理算法，籍此反演出危化品种类和浓度，弥补了传统装置在探测灵敏度和结构设计上的诸多缺陷。

(1)以高重复率、宽调谐范围的脉冲模式外腔量子级联激光器作为激光光源，相比于现有技术中单一成分的爆炸物探测装置(如申请号201110188274.4的中国专利中公开的OPO激光器)，本装置可实现多种危化品成分同时检测，在实际应用中降低漏报概率，高重复率的脉冲激光可在短时间内完成数千次信号平均，提高测量精度。

(2)特别设计镀有中红外增透膜的望远镜激光接收系统，有效增强不同距离处目标物反射和散射光的收集效率。

(3)与传统探测装置中直接利用光电探测器或结合波长调制设备的解调方式相比，将微悬臂梁和迈克尔逊相位干涉计有机结合作为反射光和散射光探测器，二者协同作用，可大幅度提高系统对微弱信号 的响应灵敏度及探测灵敏度，且具有无带宽限制，适用于任何波段激光光源之优点。

(4)本装置依托独特的光路设计，实现发射和接收光路一体化，将各工作单元联接为一个高效工作统一体，其结构简单，便携性强，便于操作，在危化品遥感探测方面具有很强的实用性，能大大提高爆炸物和危化品的预警及报警效率。

附图说明

图1为实施例危化品遥感探测装置示意图；其中，1：宽调谐外腔式量子级联激光器1、2：离轴抛物面镜、3：卡塞格林望远镜激光接收系统、4：微悬臂梁、5：可见光半导体激光器、6：分束器、7：平面反射镜、8：光电探测器、9：信号采集和分析系统、10：待检测目标气体、A：激光脉冲、B：干涉光信号。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本实用新型的具体实施方式做进一步说明，但不对本实用新型的权利要求做任何限定。

如图1所示，本实施例危化品遥感探测装置按照光传播路径依次包括：宽调谐外腔式量子级联激光器1(波长调谐范围6.9～8.8μm，脉冲重复率可达3MHz，平均功率20mW)、离轴抛物面镜2、卡塞格林望远镜激光接收系统3(镀有中红外增透膜，口径100mm，焦距300mm)、微悬臂梁4(材质：稳定性较好的氮化硅)、可见光半导体激光器5(波长650nm)、分束器6、平面反射镜7、光电探测器8、信号采集和分析系统9。

宽调谐外腔式量子级联激光器1、离轴抛物面镜2、卡塞格林望远镜激光接收系统3及待检测目标气体10的位置设计如下：量子级联器1发射激光与离轴抛物面镜2之间的入射角和反射角呈45°，离轴抛物面镜2聚焦准直后的反射光与卡塞格林望远镜激光接收系统3光路同轴，并沿其轴心方向传播。

微悬臂梁4、可见光半导体激光器5、分束器6、平面反射镜7、光电探测器8构成微悬臂梁-迈克尔逊干涉系统，微悬臂梁4位于卡塞格林望远镜激光接收系统3的焦点处。

以同时检测TNT、RDX、TATP、PETN、乙醇、丙酮危化品挥发气体为例，本装置工作过程如下：

(1)波长可调谐的宽调谐外腔式量子级联激光器1发射激光(激光器波长在其调谐范围6.9～8.8μm之间来回扫描，激光波长调谐率25cm^-1/ms；脉冲宽度200ns；功率20mW)，通过离轴抛物面镜2聚焦准直后反射到目标气体10表面；

(2)目标气体11的反射或散射光通过卡塞格林望远镜接收系统3接收后聚焦到微悬臂梁4表面；

(3)微悬臂梁-迈克尔逊干涉系统工作，其中各单元位置及光路如下：可见光半导体激光器5输出的激光经分束器6分成两束光路，一束经分束器6反射后到达平面反射镜7，反射回分束器6，再通过分束器6到达光电探测器8，为光束I₁，另一束通过分束器6射至微悬臂梁4表面，再反射回分束器6，经分束器6反射至光电探测器8，为光束I₂，I₁和I₂同向且同光路传输，发生干涉，其干涉光的强度为I₀。

当微悬臂梁4未发生振动时，如下式：

$I_0=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}cos\left(\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}\right)---\left(1.1\right)$

式中Δφ＝φ₁-φ₂，表示两束相干光干涉时的相位差。

当微悬臂梁4发生振动，光束I₂的光程将会发生变化，此时在两束光相干涉处，I₂可以表示为：

I₂＝A₂cos(ω_(t)+φ₂) (1.2)

式(1.2)中ω_(t)为由于微悬臂梁4振动，使得I₂的相位随着时间发生的变化。

此时，式(1.1)就会发生变化，如下式：

$I_0=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}cos({\mathrm{\ω}}_{\left(t\right)}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ})---\left(1.3\right)$

从式(1.3)可以看到，两束光相干涉后的干涉光强度随着两束光的相位差的改变而变化。光电探测器8将检测的光信号转化为电信 号，通过分析此电信号变化信息来得到微悬臂梁4的振动信息。

(4)上述电信号输入基于计算机的信号采集和分析系统9，采用Labview的软件进行分析处理，通过与系统自带的危化品光谱数据库进行比对，鉴别出危化品物质种类和浓度信号，并作出相应预警和报警处理。

可以理解的是，以上关于本实用新型的具体描述，仅用于说明本实用新型而并非受限于本实用新型实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种危化品遥感探测装置，其特征在于按照光传输路径依次包括：

(1)波长可调谐的脉冲式外腔量子级联激光器：根据目标气体种类选择匹配的激光发射波段；

(2)离轴抛物面镜：将激光聚焦准直后反射至待检测气体表面；

(3)卡塞格林望远镜激光接收系统：收集待检测目标气体反射或散射回的激光并聚焦至微悬臂梁表面；

(4)微悬臂梁-迈克尔逊干涉系统：该系统包括可见光半导体激光器、分束器、平面反射镜、微悬臂梁、光电探测器；微悬臂梁谐振信息通过迈克尔逊相位干涉计解调产生干涉信号，所述光电探测器将所述干涉信号转化为电信号；

(5)基于计算机的信号处理和分析单元：反演待检测目标气体信息；

(6)预警和报警系统；

所述量子级联激光器发射激光与所述离轴抛物面镜之间的入射角和反射角呈45°；

所述离轴抛物面镜聚焦准后的反射光与所述卡塞格林望远镜激光接收系统光路同轴，并沿其轴心方向传播。

2.根据权利要求1所述的危化品遥感探测装置，其特征在于：所述卡塞格林望远镜镀有中红外增透膜。

3.根据权利要求1所述的一种危化品遥感探测装置，其特征在于：所述微悬臂梁设置于所述卡塞格林望远镜焦点处。

4.根据权利要求1所述的一种危化品遥感探测装置，其特征在于：所述脉冲式外腔量子级联激光中心辐射波长为5～13μm，波长调谐范围±150cm^-1，脉冲重复率最大达3MHz量级。

5.根据权利要求1所述的一种危化品遥感探测装置，其特征在于所述微悬臂梁-迈克尔逊干涉系统中各单元位置如下：所述可见光半导体激光器输出的激光经分束器分成两束光路，一束经所述分束器反射后到达所述平面反射镜，反射回所述分束器，再通过该分束器到达所述光电探测器，另一束通过所述分束器反射至所述微悬臂梁表面，再反射回所述分束器，经该分束器反射至所述光电探测器。

6.根据权利要求1所述的一种危化品遥感探测装置，其特征在于：所述微悬臂材质为氮化硅。