专利名称：基于激光雷达技术的液体爆炸物探测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型设计了一种基于激光雷达技术的液体爆炸物的探测方法与系统。本实用新型利用激光雷达的差分吸收技术测量大气中爆炸敏感气体丙酮的浓度，籍此判断此类爆炸物的存在。本实用新型使用OPO激光器作为激光发射源，产生可调波长的激光辐射，通过波长调节技术将激光频率调到设定气体的吸收线的峰值与谷值附近。激光器依次发射 λ。n与λ。ff的激光，激光雷达接收系统接收不同距离处的回波，并根据不同距离处的回波判断该处敏感气体的浓度，当敏感气体的浓度达到一定范围后，系统给出报警，该位置存在潜在爆炸物的可能。
背景技术：
近几年国际上恐怖分子使用液体爆炸物进行恐怖爆炸活动的几率急剧上升。由于液体炸弹的制作简单、携带隐蔽方便，再加一般不需要专门的引爆装置，故安检难度特别大，而恐怖分子则可以较容易的通过多人分装夹带，进入机舱、重要目标或其它大型活动场所后收集、混合，现场实施恐怖爆炸。特别是对于一些混合型液体炸药而言，其单一一种液体一般不是规定的违禁液体，多数还可以从一般的化工商店或超市直接购买，所以原材料防控比较困难，而常规的安检仪器和手段对某些特定的液体几乎没有效果。与固体炸弹相比，液体爆炸物往往不需要传统的雷管引爆，多数可以通过撞击、摩擦、明火而直接引爆。既使需要简单的引爆装置，其所需电路和电力也无需专门设计制作， 普通的收音机、手机或MP3等都能实现；有些特殊的液体炸弹甚至只要将液体混合即可引起爆炸。所以液体爆炸物越来越多的成为恐怖分子采取自杀式恐怖爆炸的主要选择对象。 一次恐怖爆炸袭击需要四个步骤进行实施1、爆炸物材料的准备；2、爆炸物的运输；3、选择爆炸目标；4、进行爆炸袭击。而这四个步骤中炸弹材料的准备作为整个过程的第一步，如果能够及早发现，将恐怖爆炸袭击扼杀在源头，将会对恐怖袭击的控制起到非常积极的效果。然而现有的常规探测手段无法很好的解决这个问题，目前，最为有效的方法是基于吸收式差分激光雷达的直接测量仪器。上世纪50年代以来，美国便提出了吸收式差分测污远程报警系统的设想，从70年代中期起，美、俄、英、法等国开始研究激光探测化学物的设备。直到今日，发达国家仍然在进行这方面的研究工作。国内从70年代末就有单位开始对激光侦测化学物报警器进行初步研究，并对乙烯进行实验。总的来说，国内在这方面的研究相对较少。随着激光雷达研究的不断深入与发展，激光雷达的探测能力和技术手段取得了巨大的进步。OPO可调谐激光器的技术越来越成熟，差分吸收探测技术及反演算法也日趋完善，目前已经具备早期液体爆炸物探测激光雷达的研制条件，对填补我国在液体爆炸物探测的空白具有重大意义。发明内容本实用新型提供一种基于激光雷达技术的液体爆炸物探测系统，其主要解决的技术问题利用激光雷达的差分吸收技术测量大气中丙酮等敏感气体的浓度，籍此判断爆炸物的存在。并当敏感气体的浓度达到一定范围后，系统给出报警，在主控程序中显示出该位置存在潜在爆炸物的可能，从而提前排除危险的发生。[0009]本实用新型的技术解决方案如下一种基于激光雷达技术的液体爆炸物探测系统，该系统包括1)主控系统，用于设置系统工作方式，包括收发系统扫描方式，激光器工作方式， 并将命令发至下位机；2)0P0激光器，根据设定的目标气体，依次地发射目标气体的高吸收波长λ。η与低吸收波长λ。ff的激光束；3)波长调谐系统，通过从主控计算机获得的调谐信息，调整激光器进行波长变换；4)激光收发系统，其中包括发射单元，接收单元和扫描控制单元，作用在于调整发射激光的视场角，并收集不同距离处的大气回波信号；收发系统各部分考虑光学效率，镀有相应的全反膜或者增透膜。5)光电探测系统，探测激光收发系统出来的光信号，并转换成电信号；光电探测器系统使用量子效率高，响应光谱宽的红外探测器-碲镉汞(HgCdTe)探测器6)数据采集分析系统，采用光子计数卡采集光电探测系统探测的信号，发送给主控系统进行实时分析，并根据差分吸收激光雷达探测反演原理，实时计算显示目标气体的浓度；7)报警系统，在目标气体浓度超过一定范围时，给出声音报警，并表明位置。其探测方法包括以下步骤1)利用主控程序选择扫描范围与需探测的气体(如丙酮气体)吸收线的峰值λ。η 与谷值λ。ff，向波长调谐系统发送波长调谐指令；2)利用波长调谐系统控制OPO激光器产生可调波长的激光；3)激光器依次发射所述气体吸收线峰值λ。η与谷值λ。ff的激光束；4)利用激光收发系统收发同轴的卡塞格林望远镜接收不同距离处的回波；5)将接收的回波通过光电探测系统，将光信号转化为电信号；6)利用光子计数卡采集接收到的回波信号，通过Labview编程软件与主控程序相联系，实时分析显示目标气体的浓度，并在主控程序中实时显示结果；7)将探测结果与数据库存储的信息进行比对，确定是否有爆炸危险物；8)利用激光发射系统向位置控制单片机发送方位与仰角信息，控制电机转动，重复步骤2)至步骤7)扫描整个探测区域。其中，波长调谐系统的控制由单片机系统编程实现，通过测量确定气体的波长数据库，程序自动查询数据库存储的对应波长信息，然后向单片机系统发送指令，控制OPO激光器的波长调节。其中，激光收发系统收发同轴的系统，具有方位角扫描功能，激光扫描的控制分为单片机和机械结构两部分。通过单片机编程控制机械机构实现望远镜的平移、旋转等动作的实现。再由计算机控制单片机指令的发送和停止，以此来实现对激光扫描范围的控制。其中，激光收发系统采用高反光效率的卡塞格林望远镜及后继光路(包括准直镜一片，滤光片组盘一个，根据发射波长的变化，滤光片组盘由小电机转动更换为相应波长的滤光片，减少发射波长的激光对回波的影响)。其中，光电探测系统使用量子效率高，响应光谱宽的光电探测器系统。
4[0031]其中，数据采集系统的光子计数卡采用峰值光子探测效率>70%，时间分辨率 >300ps的数据采集设备，采集到的数据信息通过Labview编程软件与主控程序相联系，根据差分吸收激光雷达的探测反演原理，编制程序实时分析显示目标气体的浓度，并在主控程序中实时显示结果。气体浓度确定方法为，被探测气体吸收激光能量，气体由于内部能级的固有特性不同，会选择性吸收不同波长的激光，根据这一特性，将两束激光波长分别调节到气体的吸收线的峰值(高吸收波长)与谷值(低吸收波长)附近，高吸收波长记为λ。η与低吸收波长记为λ。ff，相应的激光雷达方程可以写为FiJtm^S) = ^^找足及)+ Νε{Κ)σε(^3 } (1)Α.=Jltf+ Ne{ltyas(2)将(1)，(2)两式相除，由此便可求的待测气体的浓度，即=^￠^)4(^)^^^ ^1
(4)其中，f表示激光雷达常数，表示待测气体的距离，/K^y灰示气体散射系数， O0(IsJ)表示大气的消光系数，零}表示待测气体吸收的部分，Ne(H)表示待测气体浓度随距离的分布，表示待测气体的吸收系数。其中，报警方式采用软件报警与硬件报警相结合，在主控程序中显示报警信息，并以红点闪烁在主控程序扫描坐标图中显示相应的位置；当无人值守自动扫描时，报警系统自动将报警信息通过GSM网络发送到相关人员手机中。本实用新型使用OPO激光器作为激光发射源，产生可调波长的激光辐射，通过波长调节技术将激光波长调到设定气体的吸收线的峰值与谷值附近。激光器依次发射入。 与 λ。 的激光，激光雷达接收系统接收不同距离处的回波，并根据不同距离处的回波判断该处敏感气体的浓度，当敏感气体的浓度达到一定范围后，系统给出报警，在主控程序中显示出该位置存在潜在爆炸物的可能。本实用新型中所说的待测探测气体的信息将有前期试验获得并经权威机构认定的吸收线的峰值和谷值，对丙酮气体而言3. 4微米处存在众多的吸收线。所说的波长调谐系统分为芯片控制与机械控制两部分，与OPO激光器连接，通过主控系统控制激光的波长变化。所说的收发系统的机械控制由电机和蜗轮组成，两个电机分别提供系统的方位和仰角的转动，通过蜗轮使收发系统能够快速定位，并具有自锁功能。所说的探测器为红外探测器，所说数据采集使用光子计数的形式，所说的数据采集处理软件采用Iabview编写。本实用新型与现有技术相比具有的优点在于[0044]1、已知探测气体波长信息，利用波长调谐系统可以探测液体爆炸物，填补液体爆炸物探测的空白；2、可以实时远距离大范围的快速探测，提高预警效率。3、实用新型利用回波信号分析系统可以准确定位液体爆炸物方位信息。4、本实用新型可以实施全天候无人值守监控。


图1为本实用新型的系统框图。图2为本实用新型的主控流程图。图1中F为滤光片组盘；iris为准直镜具体实施方式
本实用新型利用激光雷达的差分吸收技术测量大气中爆炸敏感物质丙酮的浓度， 籍此判断爆炸物的存在。本实用新型使用OPO激光器作为激光发射源，产生可调波长的激光辐射，通过波长调节技术将激光频率调到设定气体的吸收线的峰值与谷值附近。激光器依次发射入。 与λ。Η的激光，发射方式为交替连续发射，即首先发射λ。η，然后通过波长调谐再发射λ。ff的激光，间隔时间主要取决于待测气体λ 与λ。 的波长差和调谐波长所需的时间，依具体情况调节；激光雷达接收系统接收不同距离处的回波，并根据不同距离处的回波判断该处敏感气体的浓度，当敏感气体的浓度达到一定范围后，系统给出报警，该位置存在潜在爆炸物工厂的可能。该系统由OPO激光器一台、激光收发射系统、光电探测系统、数据采集分析系统、 报警系统组成。其中，各个系统独立单元，整体由主控计算机进行控制，保证系统稳定性。其中，波长调谐系统的作用在于调整激光波长到探测气体的吸收线的峰值与谷值附近。其中， 波长调谐系统通过从主控计算机获得的调谐信息，控制OPO激光器进行波长变换。其中，激光收发系统包括发射单元，接收单元和扫描控制单元，发射单元是指的除激光器以外的，对出射激光进行整形，压缩发散角的系统。激光收发系统固定于探测基座上，由机械电机控制方位和仰角的旋转。其中，蜗轮的作用是提供大的载带量带动激光收发系统进行扫描。其中，数据分析系统由主控计算机上的主控系统进行分析完成。使用该系统进行探测的前提是在激光器工作状态良好时，使用波长调谐系统，利用差分吸收确定探测气体的浓度。具体步骤是向主控程序载入所需丙酮气体(或其它类似液体如乙醇等)吸收线的峰值与谷值信息，向波长调谐系统发送波长调谐指令。波长调谐系统控制OPO激光器产生可调波长的激光辐射。激光器依次发射入啦与入。 的激光。利用收发同轴的卡塞格林望远镜接收不同距离处的回波。将接收到的回波通过光电探测系统，将光信号转化为电信号。利用光子计数卡采集接收到的回波信号，通过Labview编程软件与主控程序相联系，实时分析显示目标气体的浓度，并在主控程序中实时显示结果。将探测结果与数据库存储的信息进行比对，确定是否有爆炸危险物。直到当前探测区域探测完毕后，利用激光收发系统的控制芯片向位置控制单片机发送方位与仰角信息，控制电机转动进入下一探测区域，直至扫描整个探测区域。
权利要求1.一种基于激光雷达技术的液体爆炸物探测系统，其特征在于该系统包括1)主控系统，用于设置系统工作方式，包括收发系统扫描方式，激光器工作方式，并将命令发至下位机；2)0P0激光器，根据设定的目标气体，依次地发射目标气体的高吸收波长λ。η与低吸收波长λ。ff的激光束；3)波长调谐系统，通过从主控计算机获得的调谐信息，调整激光器进行波长变换；4)激光收发系统，作用在于调整发射激光的视场角，并收集不同距离处的大气回波信号；5)光电探测系统，探测激光收发系统出来的光信号，并转换成电信号；6)数据采集分析系统，采用光子计数卡采集光电探测系统探测的信号，发送给主控系统进行实时分析，并根据差分吸收激光雷达探测反演原理，实时计算显示目标气体的浓度；7)报警系统，在目标气体浓度超过一定范围时，给出声音报警，并表明位置。
2.根据权利要求书1所述的基于激光雷达技术的液体爆炸物探测系统，其特征在于 接收系统采用高反光效率的卡塞格林望远镜及后继光路。
3.根据权利要求书1所述的基于激光雷达技术的液体爆炸物探测系统，其特征在于 所述光电探测系统使用红外探测器-碲镉汞探测器。
专利摘要一种基于激光雷达技术的液体爆炸物探测系统。该系统利用激光雷达的差分吸收技术测量大气中丙酮等物质的浓度，籍此判断爆炸物的存在。本实用新型使用OPO激光器作为激光发射源，产生可调波长的激光辐射，通过波长调节技术将激光频率调到设定气体的吸收线的峰值与谷值附近。激光器依次发射待测气体高吸收波长λon与低吸收波长λoff的激光，激光雷达接收系统接收不同距离处的回波，并根据不同距离处的回波判断该处敏感气体的浓度，当敏感气体的浓度达到一定范围后，系统给出报警，该位置存在潜在爆炸物的可能。
文档编号G01N21/39GK202141814SQ20112023637
公开日2012年2月8日 申请日期2011年7月6日 优先权日2011年7月6日
发明者单坤玲, 卜令兵, 田力, 郭胜利 申请人:南京信息工程大学