一種危險品車載拉曼遠距離探測裝置的制造方法

一種危險品車載拉曼遠距離探測裝置的制造方法
【專利摘要】本發明提供的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，由于包括多個激光激發傳輸部和至少一個拉曼信號形成部，可以在遠距離的路面形成多個探測光斑激光點陣，這樣就可進行大范圍的掃描并形成拉曼信號；又由于擴束凸面鏡可移動，所以可以改變激光激發位置與激光傳播單元之間距離，從而使得可以遠距離探測路面上的危險品；又由于控制處理部接收激光器到形成拉曼信號的光路距離、車輛的速度信號以及激光器的脈沖電信號,根據反饋的脈沖電信號和速度信號，并結合傳播速度和光路距離，控制探測拉曼信號的時間，所以增強了探測的靈敏度，實現快速地判斷物體是否為危險品并確認其所在位置。
【專利說明】
一種危險品車載拉曼遠距離探測裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種危險品車載拉曼遠距離探測裝置，屬于激光檢測領域。
【背景技術】
[0002]2015年巴黎襲擊案發生后，城市以及道路安全問題逐漸被各國提到議事日程。而利用隱藏在路面的有毒物、易燃、易爆物等危險品，襲擊過往車輛，阻斷交通運輸，是不法分子危害城市安全的常用手段，往往造成嚴重的人員傷亡。因此，采用新科技，研制一種非接觸、遠距離、大范圍、快速探測并鎖定危險品的探測車十分必要，對城市安保建設具有重要的現實意義。
[0003]拉曼檢測是當今國際上最常用的未知物成分標定手段。其通過照射一束激光到探測物上，然后探測散射光的拉曼光譜，利用分子結構譜線標定未知物成分。因其具備無損、精確、高靈敏度等特殊優勢，拉曼檢測技術近年來在危險品檢測等領域被廣泛應用。目前較為成熟的拉曼檢測手段，通常用在探測距離在50厘米以內的未知物成分標定上。
[0004]現存的拉曼遠程探測系統，均為探測器和檢測物相對位置固定的點對點探測(定點探測)，探測時間在2到1分鐘內。然而要將這種拉曼定點檢測系統，搭載在移動中的車載底盤上，作為車載探測裝置，在車輛以一定速度行進的同時，實施中遠距離探測，則存在幾大問題:I)車載危險品探測系統通常在車輛行進中探測，車速一般高于5米/秒，這就要求車載探測系統的探測距離足夠遠的同時，探測系統與對危險品的報警時間必須足夠快，從而保證在系統檢測出危險品給出警示指令后，系統載體與危險品之間還保留一定的安全距離。而傳統定點探測手段由于需要2到10分鐘的探測時間，因此無法在有效時間內報警;2)傳統固體拉曼探測采用單點探測手段，探測范圍數厘米左右。因此傳統拉曼探測技術，無法滿足對前方地面大范圍檢測的要求;3)車輛的行駛速度往往是一個變量，而傳統拉曼探測系統的內置積分時間是事先給定的，無法實現對不同時刻反饋所得到信號的歸一化處理。綜合以上幾點，傳統拉曼探測系統，由于對定點探測和單點測量方面的依賴，所以在實際車載遠程掃描系統中發揮作用也是極有限的。

【發明內容】

[0005]本發明是為解決上述問題而提出的，目的在于通過多個激光器組成激光點陣和并通過時間反饋控制，提供一種可大范圍和同步快速探測的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，本發明采用了以下技術方案:
[0006]—種危險品車載拉曼遠距離探測裝置，在車輛行駛過程中，用于探測遠距離路面上的物體，判斷其是否是危險品，并給出危險品的路面位置，其特征在于，包括:至少兩個激光激發傳播部，用于產生多排平行的激光并將激光向遠距離的路面傳播而形成平行的探測光斑，激光激發傳播部包括激光器和激光傳播單元;至少一個拉曼光譜信號形成部，拉曼光譜信號形成部包括接受匯集單元、光束整形匯聚單元以及拉曼光譜單元，接收匯集單元用于接受激光傳播到路面后產生的散射光并匯集成光束，具有接收凹面鏡，光束整形匯聚單元用于來自接收匯集單元的散射光進行整形并匯聚而進一步傳播，拉曼光譜單元用于將從光束整形匯聚單元傳播來的散射光過濾分散為適宜檢測的拉曼散射光后檢測得到拉曼光譜信號；以及控制處理部，用于接收拉曼光譜信號并根據與已有數據對比的結果來判斷拉曼光譜信號該拉曼光譜信號是否來自危險品，其中，激光傳播單元包括用于接受激光器激發的激光并進一步擴散傳播的擴束凸面鏡和接收經擴束凸面鏡擴散傳播過來的激光并將激光在遠處聚集的聚集凸透鏡，聚焦凸透鏡可移動，通過聚焦凸透鏡的水平移動，用于改變激光激發位置與激光傳播單元之間距離，光束整形匯聚單元包括調整光束空間位置的第一平面鏡以及接受經接收凹面鏡傳播過來的散射光并將散射光發散后進一步傳播的接收凸面鏡，拉曼形成部還包括光路轉向單元，用于改變接收凸面鏡傳播過來的散射光的傳播方向以正對拉曼光譜單元的檢測方向，包括多個平面鏡，控制處理部，還通過接收光路傳播的距離信息、激光器發出的激光脈沖電信號、車輛的行駛速度信號，并進行處理后，用于控制啟動檢測拉曼散射光的時間來實現快速地判斷物體是否為危險品，同時確認其所在位置。
[0007]本發明提供的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，還可以具有這樣的特征:其中，光路轉向單元包括第一平面鏡和第二平面鏡，第二平面鏡接收接收凸面鏡傳播來的散射光進一步傳播給第三平面鏡，第三平面鏡設置于第二平面鏡的上方，用于改變第二平面鏡傳播的散射光的方向。
[0008]本發明提供的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，還可以具有這樣的特征:其中，激光傳播單元還包括高反鏡，設置在激光器與擴束凹面鏡的傳播光路之間，方便光路傳播的調節。
[0009]本發明提供的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，還可以具有這樣的特征:其中，擴束凸面鏡、聚焦凸透鏡以及高反鏡的表面具有表面鍍膜，表面鍍膜的材料與激光器激發的激光的輸出波長相匹配。
[0010]本發明提供的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，還可以具有這樣的特征:其中，光束整形匯聚單元還包括至少一組面鏡組，設置在第一平面鏡和接收凸面鏡傳播光路之間，用于進一步光斑整形，面鏡組包括依照光路傳播方向設置的中間凹面鏡、第四平面鏡。
[0011]本發明提供的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，還可以具有這樣的特征:其中，第一平面鏡可水平移動，用以調整拉曼光在探測系統中的發散角度。本發明提供的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，還可以具有這樣的特征:其中，其中，激光器采用固體激光器、薄片激光器以及光纖激光器等激光器中的任意一種。
[0012]本發明提供的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，還可以具有這樣的特征:其中，激光器采用輸出波長在紫外光波段的激光器。
[0013]本發明提供的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，還可以具有這樣的特征:其中，接收凹面鏡，采用平凹柱面鏡。
[0014]本發明提供的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，還可以具有這樣的特征:其中，拉曼形成部采用的ICCD檢測器檢測拉曼散射光。
[0015]發明作用與效果
[0016]根據本發明提供的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，由于包括多個激光激發傳播部和至少一個拉曼光譜信號形成部，可以在遠距離的路面形成多個探測光斑激光點陣，這樣就可以同時進行大范圍的掃描并形成拉曼光譜信號；又由于聚焦凸透鏡可移動，通過將其水平移動可以改變其相對擴束凸面鏡的距離，該距離輕微改變，就可以在較遠的路面的形成探測光斑，從而使得可以遠距離探測路面上的危險品；又由于控制處理部接收激光器到形成拉曼光譜信號的光路距離、車輛的速度信號以及激光器的脈沖電信號，根據反饋的脈沖電信號和速度信號，并結合傳播速度和光路距離，控制探測拉曼光譜信號的時間，所以增強了探測的靈敏度，能實現快速地判斷物體是否為危險品，并同時確認其所在位置。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明實施例的危險品車載拉曼遠距離探測裝置的工作原理示意圖；
[0018]圖2為本發明實施例的危險品車載拉曼遠距離探測裝置在車輛行駛中的工示意圖。
[0019]圖3為本發明實施例的激光激發傳播部的結構和工作示意圖；
[0020]圖4為本發明實施例的拉曼光譜信號形成部的結構和工作示意圖。
【具體實施方式】
[0021 ]實施例
[0022]以下結合附圖來說明本發明的實施例的【具體實施方式】。
[0023]圖1為本發明實施例的危險品車載拉曼遠距離探測裝置的整體工作原理示意圖。
[0024]圖2為本發明實施例的危險品車載拉曼遠距離探測裝置在車輛行駛中的工示意圖。
[0025]如圖1、圖2所示，危險品車載拉曼遠距離探測裝置10設置在車輛200中，包括至少兩個激光激發傳播部11，至少一個拉曼光譜信號形成部12以及數據處理部13。由于單個拉曼光譜信號形成部12的可探測區域面積，一般大于單個激光激發傳播部11實際激發傳播聚焦得到的區域面積，所以一般情況下拉曼光譜信號形成部12的個數小于或等于激光激發傳播部11。本實施例中，激光激發傳播部為六個，拉曼光譜信號形成部為三個。
[0026]圖3為本發明實施例的激光激發傳播部的結構和工作示意圖。
[0027]如圖3所示，共六個激光激發傳播部11，圖中沒有完全顯示，中間用省略號表示沒有顯示出的幾個激光激發傳播部U。每個激光激發傳播部11包括激光器14和激光傳播單元15ο
[0028]激光器14用來激發激光，采用激發紫外波段的激光器，可以用固體激光器、薄片激光器、光纖激光器的任意一種，本實施例中采用光纖激光器來激發紫外波段的激光。
[0029]激光傳播單元15用來將激光器14激發的激光向地面傳播。包括呈“Ζ”字形順序布置的高反鏡16、擴束凸面鏡17以及聚焦凸透鏡18。
[0030]高反鏡16用來使得激光傳播的光路便于被調節。
[0031 ]擴束凸面鏡17將高反鏡16傳播來的激光進行擴束后進一步傳播。
[0032]聚焦凸透鏡18接收擴束凸面鏡17傳播來的激光，并在車輛200遠處的路面進行聚焦，聚焦處的路面上的物體對該激光進行散射，形成散射光。聚焦凸透鏡18設置在第一電控平臺(圖中未顯示)上，通過控制電控平臺移動，可以控制聚焦凸透鏡18的水平位置。
[0033]高反鏡16、擴束凸面鏡17以及聚焦凸透鏡18的表面設置有表面鍍膜，它們各自的表面鍍膜的選擇根據激光器15的輸出激光的波長選擇。
[0034]多套激光激發傳播部11并排排布。
[0035]圖4為本發明實施例的拉曼光譜信號形成部的結構和工作示意圖。
[0036]如圖4所示，每個拉曼光譜信號形成部12包括接收匯集單元19、光束整形匯聚單元20、光路轉向單元21以及拉曼光譜單元22。
[0037]接收匯集單元19用來接收匯集地面激光激發傳播部11激發傳播到路面物體后被散射產生的散射光并進一步傳播。采用接收凹面鏡19。
[0038]光束整形匯聚單元20包括第一平面鏡23、中間凹面鏡24、第四平面鏡25以及接收凸面鏡26。用于光束整形匯聚。
[0039]第一平面鏡23放置在第二電控平移臺(圖中未顯示)上，以方便調節拉曼散射光聚焦的空間位置，便于被分光探測單元21探測。
[0040]中間凹面鏡24、第四平面鏡25兩個元件稱為一組，用于將從凹面鏡22傳播來的散射光進行光斑整形后繼續傳播，它們可以包括一組以上，本實施例中為一組。
[0041]接收凸面鏡26用于接收第四平面鏡25傳播來的散射光和進行整形，并將該散射光進行發散后進一步傳播。接收凸面鏡26采用平凸柱面鏡。
[0042]光路轉向單元21包括第二平面鏡27和第三平面鏡28。
[0043]第二平面鏡27接收接收凸面鏡26傳播來的散射光進一步傳播給第三平面鏡28，第三平面鏡28設置于第二平面鏡27的垂直方向的上端，將散射光的傳播方向由平行地面轉向為垂直地面后再水平傳播。
[0044]拉曼光譜單元22垂直于地面，包括窄帶濾波片29、狹縫30、分光器31以及檢測器32ο
[0045]窄帶濾波片29用于將第三平面鏡28傳播來的散射光進行濾波過濾，去除其他散射雜光，得到拉曼散射光進一步傳播，狹縫30用于讓適合的拉曼散射光通過，分光器31將從狹縫30通過的拉曼散射光進行分光成不同波長的光束進一步傳播，檢測器32檢測分光后的拉曼散射光得到拉曼光譜，拉曼光譜轉換成拉曼光譜信號進一步傳播。
[0046]檢測器32采用ICXD，配有紫外增強功能。
[0047]控制處理部13和拉曼光譜單元21連接，接收拉曼光譜信號，根據與已有數據對比判斷其是否為危險品的拉曼光譜信號；
[0048]控制處理部13和車輛速度感應器33連接，接收反饋來的速度信號；還和激光器14連接，接收激光器14發射激光的反饋的脈沖電信號；
[0049]控制處理部13分別和各個激光激發傳播部11連接，接收激光傳播到路面聚焦形成探測光斑的第一距離信號；
[0050]控制部13分別和各個拉曼光譜信號形成部12連接，接收探測光斑形成散射光直到探測器32的第二距離信號；
[0051]控制部13根據反饋的脈沖電信號和速度信號，并結合激光和散射光的傳播速度以及第一距離信號、第二距離信號，控制探測器32探測拉曼光譜信號的時間，實現快速地判斷物體是否為危險品，并同時確認其所在位置；
[0052]工作過程:
[0053]以車輛200的行駛速度為8.2米/秒，路面300寬5米，路面物體400的大小為0.5米X
0.5米為例，進行說明。
[0054]1、光路傳播和形成拉曼光譜信號過程:
[0055]由單套激光激發傳播部11的激光器14發射出激光，通過控制第一電控平臺，控制聚焦凸透鏡18相對擴束凸面鏡17的水平位置，進而調整激光在車輛200遠處的聚焦形成探測光斑的位置，本實施例中，調整后在車輛200前遠處的路面300上形成0.5cm*80cm長條狀光斑。六套激光激發傳播部11并排排布，在路面形成六道橫向排列的80cm長探測光斑，形成激光紫外點陣，覆蓋5米寬的路面，車輛200在行駛中直線推進光斑掃描路面。在車輛200行進中I秒鐘內可掃描5米X5米的路面范圍，這樣，在同一時刻，整個路面300及路面上的物體400都在掃描范圍內并能被同時掃描到，在掃描中，路面300或路面上的物體400將散射該光斑形成的散射光。
[0056]當來自路面300或物體400散射的拉曼光被接收凹面鏡19所收集成光束后，之后拉曼光經過光束整形匯聚單元20進行整形和匯聚傳播。聚焦的光束打在由第二平面鏡27和第三平面鏡28組成的光路轉向單元21上，在空間上將散射光的傳播轉90°，使得將第一平面鏡27表面平行于地面的拉曼光光斑，轉為從第三平面鏡28出射的垂直于地面的條狀光斑，然后經窄帶濾波片29濾除雜質得到拉曼散射光，拉曼散射光從狹縫30通過，之后經分光器31分為不同波段，再被ICCD檢測器32探測，形成拉曼光譜信號。此過程中，通過控制第二電控平臺，可以調整第一平面鏡23的位置，進而調節拉曼光聚焦的空間位置，使其更好的被ICCD檢測器32探測。
[0057]2、控制處理部13判斷危險品過程:
[0058]判斷危險品過程:控制處理部13接收上述過程形成的拉曼光譜信號，將拉曼光譜信號與數據庫中存儲的各種危險品的拉曼光譜信息數據對比，當接收的拉曼光譜信號與數據庫中的某種危險品的拉曼光譜信息數據吻合時，則判斷其為某種危險品；
[0059]3.控制處理部13控制ICXD檢測器32探測啟動的過程:
[0060]首先，在激光器14發出激光的過程中，由于控制處理部13與每個激光器14連接，在激光器14每發出一次激光時，控制處理部13都將接收到脈沖電信號，從而知道激光器14發出每次發出激光的時刻Tl;同時，控制處理部13還接收到與其連接的車輛的速度感應器33反饋來的速度信號，從而知道在發出激光時車輛的行駛速度Vl;
[0061]其次，控制處理部13記錄從激光器14發出的激光的時刻Tl;并記錄激發遠距離路面物體400后，背向傳播的散射光被檢測器32的探測到相對時刻T2;再結合電信號延遲時間和檢測器32分析時間T3，T1-T2-T3就是在車輛運行中，激光在車輛與遠距離路面物體400間來回傳播時間T;
[0062]再其次，由于車速相對于光速度可以忽略，結合光速c，車輛到遠距離路面物體400的距離S為為cT/2;
[0063]由于實際探測中為多道激光組成的點陣同步探測，因此當檢測器14啟動探測形成拉曼信號傳播給控制處理部13判斷為危險品后，控制處理部根據對應的探測區域，就可以知道危險品出現在那條光路上，結合可知的危險品距離S，就可以反推出危險品出現的具體地點。
[0064]實施例的作用與效果
[0065]根據本發明提供的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，由于包括多個激光激發傳播部和至少一個拉曼信號形成部，可以在遠距離的路面形成多個探測光斑激光點陣，這樣就可以同時進行大范圍的掃描并形成拉曼信號；又由于聚焦凸透鏡可移動，通過移動，可以改變其相對擴束凸面鏡的距離，該距離輕微調整，就可以在較遠路面的激光焦點位置，從而使得可以遠距離探測路面上的危險品；又由于控制處理部接收激光器到形成拉曼信號的光路距離、車輛的速度信號以及激光器的脈沖電信號，根據反饋的脈沖電信號和速度信號，并結合傳播速度和光路距離，控制探測拉曼信號的時間，所以增強了探測的靈敏度，能實現快速地判斷物體是否為危險品，并同時確認其所在位置；
[0066]又由于紫外波段更適宜在陽光下探測而不受影響，進一步提高了探測靈敏度，從而使得獲得拉曼信號的時間進一步縮短，因此可將系統裝配在行進的車輛上，并在車輛行動中探測遠端路面。
[0067]盡管上面對本發明說明書的【具體實施方式】進行了描述，以便于本技術領域的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限于【具體實施方式】的范圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。
【主權項】
1.一種危險品車載拉曼遠距離探測裝置，在車輛行駛過程中，用于探測遠距離路面上的物體，判斷其是否是危險品，并給出所述危險品的路面位置，其特征在于，包括: 至少兩個激光激發傳播部，用于產生多排平行的激光并將所述激光向所述遠距離的路面傳播而形成平行的探測光斑，所述激光激發傳播部包括激光器和激光傳播單元； 至少一個拉曼光譜信號形成部，所述拉曼光譜信號形成部包括接受匯集單元、光束整形匯聚單元以及拉曼光譜單元， 所述接收匯集單元用于接受所述激光傳播到所述路面后產生的散射光并匯集成光束，具有接收凹面鏡， 所述光束整形匯聚單元用于來自所述接收匯集單元的散射光進行整形并匯聚而進一步傳播， 所述拉曼光譜單元用于將從所述光束整形匯聚單元傳播來的所述散射光過濾分散為適宜檢測的拉曼散射光后檢測得到拉曼光譜信號；以及 控制處理部，用于接收所述拉曼光譜信號并根據與已有數據對比的結果來判斷拉曼光譜信號該拉曼光譜信號是否來自危險品， 其中，所述激光傳播單元包括用于接受所述激光器激發的激光并進一步擴散傳播的擴束凸面鏡和接收經所述擴束凸面鏡擴散傳播過來的所述激光并將所述激光在遠處聚集的聚集凸透鏡， 所述聚焦凸透鏡可移動，通過所述聚焦凸透鏡的水平移動，用于改變激光激發位置與激光傳播單元之間距離， 所述光束整形匯聚單元包括調整光束空間位置的第一平面鏡以及接受經所述接收凹面鏡傳播過來的所述散射光并將所述散射光發散后進一步傳播的接收凸面鏡， 所述拉曼形成部還包括光路轉向單元，用于改變接收凸面鏡傳播過來的所述散射光的傳播方向以正對所述拉曼光譜單元的檢測方向，包括多個平面鏡， 所述控制處理部，還通過接收光路傳播的距離信息、所述激光器發出的激光脈沖電信號、所述車輛的行駛速度信號，并進行處理后，用于控制啟動檢測所述拉曼散射光的時間來實現快速地判斷所述物體是否為所述危險品，同時確認其所在位置。2.如權利要求1所述的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，其特征在于: 光路轉向單元包括第一平面鏡和第二平面鏡， 所述第二平面鏡接收所述接收凸面鏡傳播來的所述散射光進一步傳播給所述第三平面鏡， 所述第三平面鏡設置于所述第二平面鏡的上方，用于改變所述第二平面鏡傳播的所述散射光的方向。3.如權利要求1所述的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，其特征在于: 其中，所述激光傳播單元還包括高反鏡，設置在所述激光器與所述擴束凹面鏡的傳播光路之間，方便光路傳播的調節。4.如權利要求1或3所述的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，其特征在于: 其中，所述擴束凸面鏡、聚焦凸透鏡以及所述高反鏡的表面具有表面鍍膜，所述表面鍍膜的材料與所述激光器激發的所述激光的輸出波長相匹配。5.如權利要求1所述的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，其特征在于: 其中，所述光束整形匯聚單元還包括至少一組面鏡組，設置在所述第一平面鏡和接收凸面鏡傳播光路之間，用于進一步光斑整形， 所述面鏡組包括依照光路傳播方向設置的中間凹面鏡、第四平面鏡。6.如權利要求5所述的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，其特征在于: 其中，所述第一平面鏡可水平移動，用以調整拉曼光在探測系統中的發散角度。7.如權利要求1所述的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，其特征在于: 其中，所述激光器采用固體激光器、薄片激光器以及光纖激光器等激光器中的任意一種。8.如權利要求1所述的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，其特征在于: 其中，所述激光器采用輸出波長在紫外光波段的激光器。9.如權利要求1所述的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，其特征在于: 其中，所述接收凹面鏡，采用平凹柱面鏡。10.如權利要求1所述的危險品車載拉曼遠距離探測裝置，其特征在于: 其中，所述拉曼形成部采用的ICCD檢測器檢測所述拉曼散射光。
【文檔編號】G01V8/20GK105842748SQ201610392990
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月6日
【發明人】袁帥, 曾和平
【申請人】上海理工大學