基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测方法和装置，该装置包括：波长可调谐的量子级联激光器、离轴抛物面镜、卡塞格林望远镜接收系统、微悬臂梁‑迈克尔逊干涉系统、基于计算机的信号处理单元；宽调谐外腔式量子级联激光器发射可调谐脉冲光经离轴抛物面镜反射到目标气体，反射或散射回的激光经望远镜接收系统收集后聚焦到微悬臂梁表面，其振动信息由迈克尔逊干涉计解调获得，光电探测器将干涉光信号转换成电信号，经信号采集和分析系统反演出危化品种类和浓度信息。本发明专利技术可实现微弱光信号的高灵敏度检测，测量精度高，可同时检测多种危化品，装置结构紧凑，操作简单、便携性和实用性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光遥感探测
和危化品检测
，具体涉及基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测方法和装置。
技术介绍
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。依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”，据此可实现不同种类危化品的成分鉴别；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；上述方法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
，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需大幅度提高，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，可操作性和实用性不强。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供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方法及装置，其可实现微弱光信号的高灵敏度检测，可同时检测多种危化品，具有测量精度高，结构简单紧凑，可操作性和实用性强之优点。本专利技术的目的之一在于提供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方法，包括以下步骤：(1)以波长可调谐的脉冲式外腔量子级联激光作为激发光源，根据目标气体“指纹谱”特性选择匹配的激光发射波段，通过离轴抛物面镜聚焦准直后反射到目标气体表面；(2)上述反射或散射光通过激光收发同轴的卡塞格林望远镜接收后聚焦到微悬臂梁表面；(3)微悬臂梁-迈克尔逊干涉系统工作：微悬臂梁的谐振信息通过迈克尔逊相位干涉计解调获得；(4)上述电信号输入基于计算机的信号采集和分析系统，通过相关信号处理算法处理后与危化品吸收光谱数据库比对，鉴别出危化品物质种类和浓度信息；其中：步骤(1)所述脉冲式外腔量子级联激光中心辐射波长为5～13μm，波长调谐范围可达±150cm-1，脉冲重复率可达3MHz量级；步骤(1)所述激光与所述离轴抛物面镜与所述离轴抛物面镜之间的入射角和反射角呈45°；步骤(1)所述离轴抛物面镜聚焦准直后的反射光与步骤(2)所述望远镜激光接收系统光路同轴，并沿其轴心方向传播；步骤(2)所述卡塞格林望远镜镀有中红外增透膜，以增强目标气体反射和散射光收集效率；步骤(2)和步骤(3)所述微悬臂梁设置于所述卡塞格林望远镜焦点处。具体地，步骤(3)中谐振信息获取方法为：所述干涉计中的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干涉计中的平面反射镜，反射回所述分束器，再通过该分束器到达光电探测器，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，经该分束器反射至光电探测器，两束光在相遇时形成干涉，光电探测器将所获干涉光信号转化为电信号。或者具体地，步骤(3)中谐振信息获取方法为：所述干涉计中的可见光半导体激光器输出的激光经光纤耦合器分成两束光路，一束经所述光纤耦合器到达光纤反射面，反射回所述光纤耦合器，再通过该光纤耦合器到达所述光电探测器，另一束通过所述光纤耦合器和光纤准直器到达微悬臂梁表面，再经所述光纤准直器反射回所述光纤耦合器，经该光纤耦合器到达所述光电探测器。进一步地，所述方法还包括在目标气体浓度超过一定浓度时做出相应预警和报警处理。进一步地，所述方法能同时检测若干种危化品气体，所述气体包括TNT、RDX、TATP、PETN、乙醇、丙酮中的一种或几种。具体地，所述方法采用基于小波变换的背景扣除技术和小波去噪技术实现背景信号扣除和噪声分离，并采用主成分分析法鉴别同时存在的若干种气体的特征吸收“指纹谱”。本专利技术的另一目的在于提供一种实现上述方法的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，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-迈克尔逊干涉系统；(5)基于计算机的信号处理和分析单元；具体地，所述微悬臂梁-迈克尔逊干涉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；或者具体地，所述微悬臂梁-迈克尔逊干涉系统包括可见光半导体激光器、光纤耦合器、光纤反射面、光纤准直器、微悬臂梁、光电探测器。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术首次将新型外腔式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，配合小波变换背景扣除技术和小波去噪技术，以及主成分分析算法鉴别同时存在的若干种气体，籍此反演出危化品种类和浓度。(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)，本专利技术可实现多种危化品成分同时检测和鉴别，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)与传统方法中直接利用光电探测器或结合波长调制技术的解调方式相比，将微悬臂梁和迈克尔逊相位干涉系统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，适用于任何波段的激光光源之优点；此外，微悬臂梁-迈克尔逊干涉系统还可采用全光纤式结构，使结构更加紧凑，光路调节更加方便。(4)采用独特的光路设计，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，装置结构紧凑，便携性强，操作简单，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实施例示意图(微悬臂梁-迈克本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测方法，包括以下步骤：(1)以波长可调谐的脉冲式外腔量子级联激光作为激发光源，根据目标气体种类选择匹配的激光发射波段，通过离轴抛物面镜聚焦准直后反射到目标气体表面；(2)上述反射或散射光通过激光收发同轴的卡塞格林望远镜接收后聚焦到微悬臂梁表面；(3)微悬臂梁‑迈克尔逊干涉系统工作：微悬臂梁的谐振信息通过迈克尔逊相位干涉计解调获得；(4)上述电信号输入基于计算机的信号采集和分析系统，通过与危化品吸收光谱数据库比对，鉴别出危化品物质种类和浓度信息；其中：步骤(1)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；步骤(1)所述激光与所述离轴抛物面镜与所述离轴抛物面镜之间的入射角和反射角呈45°；步骤(1)所述离轴抛物面镜聚焦准直后的反射光与步骤(2)所述望远镜激光接收系统光路同轴，并沿其轴心方向传播；步骤(2)所述卡塞格林望远镜镀有中红外增透膜；步骤(2)和步骤(3)所述微悬臂梁设置于所述卡塞格林望远镜焦点处。

【技术特征摘要】
1.基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测方法，包括以下步骤：(1)以波长可调谐的脉冲式外腔量子级联激光作为激发光源，根据目标气体种类选择匹配的激光发射波段，通过离轴抛物面镜聚焦准直后反射到目标气体表面；(2)上述反射或散射光通过激光收发同轴的卡塞格林望远镜接收后聚焦到微悬臂梁表面；(3)微悬臂梁-迈克尔逊干涉系统工作：微悬臂梁的谐振信息通过迈克尔逊相位干涉计解调获得；(4)上述电信号输入基于计算机的信号采集和分析系统，通过与危化品吸收光谱数据库比对，鉴别出危化品物质种类和浓度信息；其中：步骤(1)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；步骤(1)所述激光与所述离轴抛物面镜与所述离轴抛物面镜之间的入射角和反射角呈45°；步骤(1)所述离轴抛物面镜聚焦准直后的反射光与步骤(2)所述望远镜激光接收系统光路同轴，并沿其轴心方向传播；步骤(2)所述卡塞格林望远镜镀有中红外增透膜；步骤(2)和步骤(3)所述微悬臂梁设置于所述卡塞格林望远镜焦点处。2.根据权利要求1所述的基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测方法，其特征在于步骤(3)中谐振信息获取方法为：所述干涉计中的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干涉计中的平面反射镜，反射回所述分束器，再通过该分束器到达光电探测器，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，经该分束器反射至光电探测器，两束光在相遇时形成干涉，光电探测器将所获干涉光信号转化为电信号。3.根据权利要求1所述的基于宽调谐外腔式量子级联激光器的危化品遥感探测方法，其特征在于步骤(3)中谐振信息获取...

【专利技术属性】
技术研发人员：李劲松，孙娟，邓昊，时进辉，俞本立，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34