一种危险品车载拉曼远距离探测装置

摘要

本发明提供的危险品车载拉曼远距离探测装置，由于包括多个激光激发传输部和至少一个拉曼信号形成部，可以在远距离的路面形成多个探测光斑激光点阵，这样就可进行大范围的扫描并形成拉曼信号；又由于扩束凸面镜可移动，所以可以改变激光激发位置与激光传播单元之间距离，从而使得可以远距离探测路面上的危险品；又由于控制处理部接收激光器到形成拉曼信号的光路距离、车辆的速度信号以及激光器的脉冲电信号,根据反馈的脉冲电信号和速度信号，并结合传播速度和光路距离，控制探测拉曼信号的时间，所以增强了探测的灵敏度，实现快速地判断物体是否为危险品并确认其所在位置。

权利要求

1.一种危险品车载拉曼远距离探测装置，在车辆行驶过程中,用于探测远距离路面上的物体，判断其是否是危险品，并给出所述危险品的路面位置,其特征在于，包括：至少两个激光激发传播部，用于产生多排平行的激光并将所述激光向所述远距离的路面传播而形成平行的探测光斑，所述激光激发传播部包括激光器和激光传播单元；

至少一个拉曼光谱信号形成部，所述拉曼光谱信号形成部包括接收汇集单元、光束整形汇聚单元以及拉曼光谱单元，所述接收汇集单元用于接收所述激光传播到所述路面后产生的散射光并汇集成光束，具有接收凹面镜，所述光束整形汇聚单元用于来自所述接收汇集单元的散射光进行整形并汇聚而进一步传播，所述拉曼光谱单元用于将从所述光束整形汇聚单元传播来的所述散射光过滤分散为适宜检测的拉曼散射光后检测得到拉曼光谱信号；以及控制处理部，用于接收所述拉曼光谱信号并根据与已有数据对比的结果来判断拉曼光谱信号该拉曼光谱信号是否来自危险品，其中，所述激光传播单元包括用于接收所述激光器激发的激光并进一步扩散传播的扩束凸面镜和接收经所述扩束凸面镜扩散传播过来的所述激光并将所述激光在远处聚集的聚焦凸透镜，所述聚焦凸透镜可移动，通过所述聚焦凸透镜的水平移动，用于改变激光激发位置与激光传播单元之间距离，所述光束整形汇聚单元包括调整光束空间位置的第一平面镜以及接收经所述接收凹面镜传播过来的所述散射光并将所述散射光发散后进一步传播的接收凸面镜,所述拉曼光谱信号形成部还包括光路转向单元,用于改变接收凸面镜传播过来的所述散射光的传播方向以正对所述拉曼光谱单元的检测方向，包括多个平面镜，所述控制处理部，还通过接收光路传播的距离信息、所述激光器发出的激光脉冲电信号、所述车辆的行驶速度信号，并进行处理后，用于控制启动检测所述拉曼散射光的时间来实现快速地判断所述物体是否为所述危险品，同时确认其所在位置。

2.如权利要求1所述的危险品车载拉曼远距离探测装置，其特征在于：光路转向单元包括第一平面镜和第二平面镜,

所述第二平面镜接收所述接收凸面镜传播来的所述散射光进一步传播给第三平面镜，所述第三平面镜设置于所述第二平面镜的上方，用于改变所述第二平面镜传播的所述散射光的方向。

3.如权利要求1所述的危险品车载拉曼远距离探测装置，其特征在于：其中，所述激光传播单元还包括高反镜，设置在所述激光器与所述扩束凹面镜的传播光路之间，方便光路传播的调节。

4.如权利要求3所述的危险品车载拉曼远距离探测装置，其特征在于：其中,所述扩束凸面镜、所述聚焦凸透镜以及所述高反镜的表面具有表面镀膜，所述表面镀膜的材料与所述激光器激发的所述激光的输出波长相匹配。

5.如权利要求1所述的危险品车载拉曼远距离探测装置，其特征在于：其中,所述光束整形汇聚单元还包括至少一组面镜组，设置在所述第一平面镜和接收凸面镜传播光路之间，用于进一步光斑整形，所述面镜组包括依照光路传播方向设置的中间凹面镜、第四平面镜。

6.如权利要求5所述的危险品车载拉曼远距离探测装置，其特征在于：其中，所述第一平面镜可水平移动,用以调整拉曼光在探测系统中的发散角度。

7.如权利要求1所述的危险品车载拉曼远距离探测装置，其特征在于：其中，所述激光器采用固体激光器、薄片激光器以及光纤激光器等激光器中的任意一种。

8.如权利要求1所述的危险品车载拉曼远距离探测装置，其特征在于：其中，所述激光器采用输出波长在紫外光波段的激光器。

9.如权利要求1所述的危险品车载拉曼远距离探测装置，其特征在于：其中，所述接收凹面镜，采用平凹柱面镜。

10.如权利要求1所述的危险品车载拉曼远距离探测装置，其特征在于：其中，所述拉曼光谱信号形成部采用的ICCD检测器检测所述拉曼散射光。

说明书

一种危险品车载拉曼远距离探测装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种危险品车载拉曼远距离探测装置，属于激光检测领域。

背景技术

[0002] 2015年巴黎袭击案发生后，城市以及道路安全问题逐渐被各国提到议事日程。而利用隐藏在路面的有毒物、易燃、易爆物等危险品，袭击过往车辆，阻断交通运输，是不法分子危害城市安全的常用手段，往往造成严重的人员伤亡。因此，采用新科技，研制一种非接触、远距离、大范围、快速探测并锁定危险品的探测车十分必要，对城市安保建设具有重要的现实意义。

[0003] 拉曼检测是当今国际上最常用的未知物成分标定手段。其通过照射一束激光到探测物上，然后探测散射光的拉曼光谱，利用分子结构谱线标定未知物成分。因其具备无损、精确、高灵敏度等特殊优势，拉曼检测技术近年来在危险品检测等领域被广泛应用。目前较为成熟的拉曼检测手段，通常用在探测距离在50厘米以内的未知物成分标定上。

[0004] 现存的拉曼远程探测系统，均为探测器和检测物相对位置固定的点对点探测(定点探测)，探测时间在2到10分钟内。然而要将这种拉曼定点检测系统，搭载在移动中的车载底盘上，作为车载探测装置，在车辆以一定速度行进的同时，实施中远距离探测，则存在几大问题：1)车载危险品探测系统通常在车辆行进中探测，车速一般高于5米/秒，这就要求车载探测系统的探测距离足够远的同时，探测系统与对危险品的报警时间必须足够快，从而保证在系统检测出危险品给出警示指令后，系统载体与危险品之间还保留一定的安全距离。而传统定点探测手段由于需要2到10分钟的探测时间，因此无法在有效时间内报警；2)传统固体拉曼探测采用单点探测手段，探测范围数厘米左右。因此传统拉曼探测技术，无法满足对前方地面大范围检测的要求；3)车辆的行驶速度往往是一个变量，而传统拉曼探测系统的内置积分时间是事先给定的，无法实现对不同时刻反馈所得到信号的归一化处理。综合以上几点，传统拉曼探测系统，由于对定点探测和单点测量方面的依赖，所以在实际车载远程扫描系统中发挥作用也是极有限的。

发明内容

[0005] 本发明是为解决上述问题而提出的，目的在于通过多个激光器组成激光点阵和并通过时间反馈控制，提供一种可大范围和同步快速探测的危险品车载拉曼远距离探测装置，本发明采用了以下技术方案：

[0006] 一种危险品车载拉曼远距离探测装置，在车辆行驶过程中,用于探测远距离路面上的物体，判断其是否是危险品，并给出危险品的路面位置,其特征在于，包括：至少两个激光激发传播部，用于产生多排平行的激光并将激光向远距离的路面传播而形成平行的探测光斑，激光激发传播部包括激光器和激光传播单元；至少一个拉曼光谱信号形成部，拉曼光谱信号形成部包括接受汇集单元、光束整形汇聚单元以及拉曼光谱单元，接收汇集单元用于接受激光传播到路面后产生的散射光并汇集成光束，具有接收凹面镜，光束整形汇聚单元用于来自接收汇集单元的散射光进行整形并汇聚而进一步传播，拉曼光谱单元用于将从光束整形汇聚单元传播来的散射光过滤分散为适宜检测的拉曼散射光后检测得到拉曼光谱信号；以及控制处理部，用于接收拉曼光谱信号并根据与已有数据对比的结果来判断拉曼光谱信号该拉曼光谱信号是否来自危险品，其中，激光传播单元包括用于接受激光器激发的激光并进一步扩散传播的扩束凸面镜和接收经扩束凸面镜扩散传播过来的激光并将激光在远处聚集的聚集凸透镜，聚焦凸透镜可移动，通过聚焦凸透镜的水平移动，用于改变激光激发位置与激光传播单元之间距离，光束整形汇聚单元包括调整光束空间位置的第一平面镜以及接受经接收凹面镜传播过来的散射光并将散射光发散后进一步传播的接收凸面镜,拉曼形成部还包括光路转向单元,用于改变接收凸面镜传播过来的散射光的传播方向以正对拉曼光谱单元的检测方向，包括多个平面镜，控制处理部，还通过接收光路传播的距离信息、激光器发出的激光脉冲电信号、车辆的行驶速度信号，并进行处理后，用于控制启动检测拉曼散射光的时间来实现快速地判断物体是否为危险品，同时确认其所在位置。

[0007] 本发明提供的危险品车载拉曼远距离探测装置，还可以具有这样的特征：其中，光路转向单元包括第一平面镜和第二平面镜，第二平面镜接收接收凸面镜传播来的散射光进一步传播给第三平面镜，第三平面镜设置于第二平面镜的上方，用于改变第二平面镜传播的散射光的方向。

[0008] 本发明提供的危险品车载拉曼远距离探测装置，还可以具有这样的特征：其中，激光传播单元还包括高反镜，设置在激光器与扩束凹面镜的传播光路之间，方便光路传播的调节。

[0009] 本发明提供的危险品车载拉曼远距离探测装置，还可以具有这样的特征：其中,扩束凸面镜、聚焦凸透镜以及高反镜的表面具有表面镀膜，表面镀膜的材料与激光器激发的激光的输出波长相匹配。

[0010] 本发明提供的危险品车载拉曼远距离探测装置，还可以具有这样的特征：其中,光束整形汇聚单元还包括至少一组面镜组，设置在第一平面镜和接收凸面镜传播光路之间，用于进一步光斑整形，面镜组包括依照光路传播方向设置的中间凹面镜、第四平面镜。

[0011] 本发明提供的危险品车载拉曼远距离探测装置，还可以具有这样的特征：其中，第一平面镜可水平移动,用以调整拉曼光在探测系统中的发散角度。本发明提供的危险品车载拉曼远距离探测装置，还可以具有这样的特征：其中，其中，激光器采用固体激光器、薄片激光器以及光纤激光器等激光器中的任意一种。

[0012] 本发明提供的危险品车载拉曼远距离探测装置，还可以具有这样的特征：其中，激光器采用输出波长在紫外光波段的激光器。

[0013] 本发明提供的危险品车载拉曼远距离探测装置，还可以具有这样的特征：其中，接收凹面镜，采用平凹柱面镜。

[0014] 本发明提供的危险品车载拉曼远距离探测装置，还可以具有这样的特征：其中，拉曼形成部采用的ICCD检测器检测拉曼散射光。

[0015] 发明作用与效果

[0016] 根据本发明提供的危险品车载拉曼远距离探测装置，由于包括多个激光激发传播部和至少一个拉曼光谱信号形成部，可以在远距离的路面形成多个探测光斑激光点阵，这样就可以同时进行大范围的扫描并形成拉曼光谱信号；又由于聚焦凸透镜可移动，通过将其水平移动可以改变其相对扩束凸面镜的距离，该距离轻微改变，就可以在较远的路面的形成探测光斑，从而使得可以远距离探测路面上的危险品；又由于控制处理部接收激光器到形成拉曼光谱信号的光路距离、车辆的速度信号以及激光器的脉冲电信号,根据反馈的脉冲电信号和速度信号，并结合传播速度和光路距离，控制探测拉曼光谱信号的时间，所以增强了探测的灵敏度，能实现快速地判断物体是否为危险品，并同时确认其所在位置。

附图说明

[0017] 图1为本发明实施例的危险品车载拉曼远距离探测装置的工作原理示意图；

[0018] 图2为本发明实施例的危险品车载拉曼远距离探测装置在车辆行驶中的工示意图。

[0019] 图3为本发明实施例的激光激发传播部的结构和工作示意图；

[0020] 图4为本发明实施例的拉曼光谱信号形成部的结构和工作示意图。

具体实施方式

[0021] 实施例

[0022] 以下结合附图来说明本发明的实施例的具体实施方式。

[0023] 图1为本发明实施例的危险品车载拉曼远距离探测装置的整体工作原理示意图。

[0024] 图2为本发明实施例的危险品车载拉曼远距离探测装置在车辆行驶中的工示意图。

[0025] 如图1、图2所示，危险品车载拉曼远距离探测装置10设置在车辆200中，包括至少两个激光激发传播部11，至少一个拉曼光谱信号形成部12以及数据处理部13。由于单个拉曼光谱信号形成部12的可探测区域面积，一般大于单个激光激发传播部11实际激发传播聚焦得到的区域面积，所以一般情况下拉曼光谱信号形成部12的个数小于或等于激光激发传播部11。本实施例中，激光激发传播部为六个，拉曼光谱信号形成部为三个。

[0026] 图3为本发明实施例的激光激发传播部的结构和工作示意图。

[0027] 如图3所示，共六个激光激发传播部11，图中没有完全显示，中间用省略号表示没有显示出的几个激光激发传播部11。每个激光激发传播部11包括激光器14和激光传播单元15。

[0028] 激光器14用来激发激光，采用激发紫外波段的激光器，可以用固体激光器、薄片激光器、光纤激光器的任意一种，本实施例中采用光纤激光器来激发紫外波段的激光。

[0029] 激光传播单元15用来将激光器14激发的激光向地面传播。包括呈“Z”字形顺序布置的高反镜16、扩束凸面镜17以及聚焦凸透镜18。

[0030] 高反镜16用来使得激光传播的光路便于被调节。

[0031] 扩束凸面镜17将高反镜16传播来的激光进行扩束后进一步传播。

[0032] 聚焦凸透镜18接收扩束凸面镜17传播来的激光，并在车辆200远处的路面进行聚焦，聚焦处的路面上的物体对该激光进行散射，形成散射光。聚焦凸透镜18设置在第一电控平台(图中未显示)上，通过控制电控平台移动，可以控制聚焦凸透镜18的水平位置。

[0033] 高反镜16、扩束凸面镜17以及聚焦凸透镜18的表面设置有表面镀膜，它们各自的表面镀膜的选择根据激光器15的输出激光的波长选择。

[0034] 多套激光激发传播部11并排排布。

[0035] 图4为本发明实施例的拉曼光谱信号形成部的结构和工作示意图。

[0036] 如图4所示，每个拉曼光谱信号形成部12包括接收汇集单元19、光束整形汇聚单元20、光路转向单元21以及拉曼光谱单元22。

[0037] 接收汇集单元19用来接收汇集地面激光激发传播部11激发传播到路面物体后被散射产生的散射光并进一步传播。采用接收凹面镜19。

[0038] 光束整形汇聚单元20包括第一平面镜23、中间凹面镜24、第四平面镜25以及接收凸面镜26。用于光束整形汇聚。

[0039] 第一平面镜23放置在第二电控平移台(图中未显示)上，以方便调节拉曼散射光聚焦的空间位置，便于被分光探测单元21探测。

[0040] 中间凹面镜24、第四平面镜25两个元件称为一组，用于将从凹面镜22传播来的散射光进行光斑整形后继续传播，它们可以包括一组以上，本实施例中为一组。

[0041] 接收凸面镜26用于接收第四平面镜25传播来的散射光和进行整形，并将该散射光进行发散后进一步传播。接收凸面镜26采用平凸柱面镜。

[0042] 光路转向单元21包括第二平面镜27和第三平面镜28。

[0043] 第二平面镜27接收接收凸面镜26传播来的散射光进一步传播给第三平面镜28，第三平面镜28设置于第二平面镜27的垂直方向的上端，将散射光的传播方向由平行地面转向为垂直地面后再水平传播。

[0044] 拉曼光谱单元22垂直于地面，包括窄带滤波片29、狭缝30、分光器31以及检测器32。

[0045] 窄带滤波片29用于将第三平面镜28传播来的散射光进行滤波过滤，去除其他散射杂光，得到拉曼散射光进一步传播，狭缝30用于让适合的拉曼散射光通过，分光器31将从狭缝30通过的拉曼散射光进行分光成不同波长的光束进一步传播，检测器32检测分光后的拉曼散射光得到拉曼光谱，拉曼光谱转换成拉曼光谱信号进一步传播。

[0046] 检测器32采用ICCD，配有紫外增强功能。

[0047] 控制处理部13和拉曼光谱单元21连接，接收拉曼光谱信号，根据与已有数据对比判断其是否为危险品的拉曼光谱信号；

[0048] 控制处理部13和车辆速度感应器33连接，接收反馈来的速度信号；还和激光器14连接，接收激光器14发射激光的反馈的脉冲电信号；

[0049] 控制处理部13分别和各个激光激发传播部11连接，接收激光传播到路面聚焦形成探测光斑的第一距离信号；

[0050] 控制部13分别和各个拉曼光谱信号形成部12连接，接收探测光斑形成散射光直到探测器32的第二距离信号；

[0051] 控制部13根据反馈的脉冲电信号和速度信号，并结合激光和散射光的传播速度以及第一距离信号、第二距离信号，控制探测器32探测拉曼光谱信号的时间，实现快速地判断物体是否为危险品，并同时确认其所在位置；

[0052] 工作过程：

[0053] 以车辆200的行驶速度为8.2米/秒，路面300宽5米，路面物体400的大小为0.5米×0.5米为例，进行说明。

[0054] 1、光路传播和形成拉曼光谱信号过程：

[0055] 由单套激光激发传播部11的激光器14发射出激光，通过控制第一电控平台，控制聚焦凸透镜18相对扩束凸面镜17的水平位置，进而调整激光在车辆200远处的聚焦形成探测光斑的位置,本实施例中，调整后在车辆200前远处的路面300上形成0.5cm*80cm长条状光斑。六套激光激发传播部11并排排布，在路面形成六道横向排列的80cm长探测光斑，形成激光紫外点阵，覆盖5米宽的路面,车辆200在行驶中直线推进光斑扫描路面。在车辆200行进中1秒钟内可扫描5米×5米的路面范围，这样，在同一时刻，整个路面300及路面上的物体400都在扫描范围内并能被同时扫描到，在扫描中，路面300或路面上的物体400将散射该光斑形成的散射光。

[0056] 当来自路面300或物体400散射的拉曼光被接收凹面镜19所收集成光束后，之后拉曼光经过光束整形汇聚单元20进行整形和汇聚传播。聚焦的光束打在由第二平面镜27和第三平面镜28组成的光路转向单元21上，在空间上将散射光的传播转90°，使得将第一平面镜27表面平行于地面的拉曼光光斑，转为从第三平面镜28出射的垂直于地面的条状光斑，然后经窄带滤波片29滤除杂质得到拉曼散射光，拉曼散射光从狭缝30通过，之后经分光器31分为不同波段，再被ICCD检测器32探测，形成拉曼光谱信号。此过程中，通过控制第二电控平台，可以调整第一平面镜23的位置，进而调节拉曼光聚焦的空间位置，使其更好的被ICCD检测器32探测。

[0057] 2、控制处理部13判断危险品过程：

[0058] 判断危险品过程：控制处理部13接收上述过程形成的拉曼光谱信号，将拉曼光谱信号与数据库中存储的各种危险品的拉曼光谱信息数据对比，当接收的拉曼光谱信号与数据库中的某种危险品的拉曼光谱信息数据吻合时，则判断其为某种危险品；

[0059] 3.控制处理部13控制ICCD检测器32探测启动的过程：

[0060] 首先，在激光器14发出激光的过程中，由于控制处理部13与每个激光器14连接，在激光器14每发出一次激光时，控制处理部13都将接收到脉冲电信号，从而知道激光器14发出每次发出激光的时刻T1；同时，控制处理部13还接收到与其连接的车辆的速度感应器33反馈来的速度信号，从而知道在发出激光时车辆的行驶速度V1；

[0061] 其次，控制处理部13记录从激光器14发出的激光的时刻T1；并记录激发远距离路面物体400后，背向传播的散射光被检测器32的探测到相对时刻T2；再结合电信号延迟时间和检测器32分析时间T3，T1-T2-T3就是在车辆运行中，激光在车辆与远距离路面物体400间来回传播时间T；

[0062] 再其次，由于车速相对于光速度可以忽略，结合光速c,车辆到远距离路面物体400的距离S为为cT/2；

[0063] 由于实际探测中为多道激光组成的点阵同步探测，因此当检测器14启动探测形成拉曼信号传播给控制处理部13判断为危险品后，控制处理部根据对应的探测区域，就可以知道危险品出现在那条光路上，结合可知的危险品距离S，就可以反推出危险品出现的具体地点。

[0064] 实施例的作用与效果

[0065] 根据本发明提供的危险品车载拉曼远距离探测装置，由于包括多个激光激发传播部和至少一个拉曼信号形成部，可以在远距离的路面形成多个探测光斑激光点阵，这样就可以同时进行大范围的扫描并形成拉曼信号；又由于聚焦凸透镜可移动，通过移动，可以改变其相对扩束凸面镜的距离，该距离轻微调整，就可以在较远路面的激光焦点位置，从而使得可以远距离探测路面上的危险品；又由于控制处理部接收激光器到形成拉曼信号的光路距离、车辆的速度信号以及激光器的脉冲电信号,根据反馈的脉冲电信号和速度信号，并结合传播速度和光路距离，控制探测拉曼信号的时间，所以增强了探测的灵敏度，能实现快速地判断物体是否为危险品，并同时确认其所在位置；

[0066] 又由于紫外波段更适宜在阳光下探测而不受影响，进一步提高了探测灵敏度，从而使得获得拉曼信号的时间进一步缩短，因此可将系统装配在行进的车辆上，并在车辆行动中探测远端路面。

[0067] 尽管上面对本发明说明书的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。