專利名稱：一種遠(yuǎn)程激光誘導(dǎo)等離子體光譜探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種元素分析方法，尤其涉及一種遠(yuǎn)程激光誘導(dǎo)等離子光譜探測方法，能進(jìn)行遠(yuǎn)程物質(zhì)的精確在線元素分析，適合對人類無法進(jìn)入的具有毒、強(qiáng)污染、強(qiáng)輻射區(qū)域的物質(zhì)的元素成分及含量進(jìn)行自動探測。
背景技術(shù)：
激光誘導(dǎo)等離子體光譜探測技術(shù)是利用脈沖激光器發(fā)出脈沖激光，經(jīng)過反射鏡和透鏡，聚焦到樣品，產(chǎn)生高能量的脈沖激光，使樣品燒蝕、蒸發(fā)、激發(fā)和電離化后形成高溫、 高壓、高電子密度的等離子體火花，輻射出包含原子和離子特征譜線的光譜，可用于探測物質(zhì)的元素組成及含量。在一些人類無法進(jìn)入(例如有毒、強(qiáng)污染、強(qiáng)輻射)的區(qū)域，一般的激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測方法無法滿足遠(yuǎn)程聚焦和收集等離子體光譜的要求。而目前的遠(yuǎn)程激光誘導(dǎo)等離子體光譜探測方法中，大部分利用光纖遠(yuǎn)程傳輸高能量脈沖激光，用同一光纖傳輸?shù)入x子體光譜，因此對光纖性能要求很高，而且很不靈活。本發(fā)明針對激光誘導(dǎo)等離子體光譜的遠(yuǎn)程探測存在的問題，提出了一種集連續(xù)激光測距，脈沖激光遠(yuǎn)程聚焦和等離子體光譜遠(yuǎn)程采集于一體的方法，可用于進(jìn)行遠(yuǎn)程物質(zhì)的精確在線元素分析，適合對人類無法進(jìn)入的具有毒、強(qiáng)污染、強(qiáng)輻射區(qū)域的物質(zhì)的元素成分及含量進(jìn)行探測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種遠(yuǎn)程激光誘導(dǎo)等離子體光譜探測方法，以解決現(xiàn)有的遠(yuǎn)程元素分析方法中存在的問題，該方法集連續(xù)激光測距，脈沖激光遠(yuǎn)程聚焦和等離子體光譜遠(yuǎn)程采集于一體，可用于進(jìn)行遠(yuǎn)程物質(zhì)的精確在線元素分析，適合對人類無法進(jìn)入的具有毒、強(qiáng)污染、強(qiáng)輻射區(qū)域的物質(zhì)的元素成分及含量進(jìn)行探測。本發(fā)明是這樣來實(shí)現(xiàn)的，通過激光調(diào)制單元對連續(xù)激光器進(jìn)行調(diào)制，可輸出強(qiáng)度以一定頻率正弦變化的連續(xù)激光，調(diào)制后的激光一部分透射經(jīng)過半反半透鏡后，經(jīng)過發(fā)射光學(xué)天線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程待測目標(biāo)；另一部分激光被半反半透鏡反射到鑒相器.經(jīng)發(fā)射光學(xué)天線到達(dá)遠(yuǎn)程待測目標(biāo)的某一待測點(diǎn)后，反射回來的激光信號由接收光學(xué)天線收集到光電探測單元并被其傳感，經(jīng)過放大電路信號放大之后進(jìn)入鑒相器，并與調(diào)制激光被半反半透鏡反射到鑒相器的激光信號進(jìn)行相位比較，并根據(jù)相位法激光測距原量計(jì)算出發(fā)射光學(xué)天線和目標(biāo)待測點(diǎn)的距離.然后計(jì)算得到強(qiáng)脈沖激光遠(yuǎn)程聚集子系統(tǒng)中望遠(yuǎn)光學(xué)組件與目標(biāo)待測點(diǎn)的距離和偏移角度(即為望遠(yuǎn)光學(xué)組件遠(yuǎn)程物方焦點(diǎn)坐標(biāo)).該焦點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)光學(xué)透鏡組焦點(diǎn)計(jì)算公式可轉(zhuǎn)換為望遠(yuǎn)光學(xué)組件的凹透鏡組與凸透鏡組的三軸相對位移量，步進(jìn)驅(qū)動微控制組件實(shí)現(xiàn)以上計(jì)算并利用步機(jī)電機(jī)驅(qū)動對鏡頭組進(jìn)行精確相對位移調(diào)節(jié)，以匹配遠(yuǎn)程焦點(diǎn)坐標(biāo).脈沖激光器發(fā)射脈沖激光，經(jīng)過帶孔反射鏡進(jìn)入擴(kuò)束準(zhǔn)直組件，然后進(jìn)入用于遠(yuǎn)程聚焦的望遠(yuǎn)光學(xué)組件.由于望遠(yuǎn)光學(xué)組件經(jīng)步進(jìn)驅(qū)動微控制組件已實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程焦點(diǎn)匹配，因此脈沖激光可準(zhǔn)確聚焦到遠(yuǎn)程待測目標(biāo)某一待測點(diǎn)，然后激發(fā)產(chǎn)生等離子體光譜，等離子體光譜信號反射回來，經(jīng)望遠(yuǎn)光學(xué)組件及擴(kuò)束準(zhǔn)直組件后，被帶孔反射鏡反射進(jìn)入光譜采集光學(xué)組件，經(jīng)內(nèi)部的凸面鏡組反射會聚出射，再經(jīng)耦合透鏡聚焦進(jìn)入微型光譜儀.微型光譜儀與計(jì)算機(jī)連接，通過相關(guān)光譜分析軟件可顯示光譜圖，并進(jìn)行在線實(shí)時(shí)定性定量分析。
移動連續(xù)激光測距子系統(tǒng)，可選擇遠(yuǎn)程待測目標(biāo)表面不同目標(biāo)點(diǎn)，通過以上步驟可探測不同目標(biāo)點(diǎn)的元素組成及含量。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過測量目標(biāo)待測點(diǎn)的距離和偏移角度，以實(shí)現(xiàn)脈沖激光的遠(yuǎn)程聚集，能進(jìn)行遠(yuǎn)程物質(zhì)的精確在線元素分析，結(jié)構(gòu)簡單、測量速度快、效率高，適合對人類無法進(jìn)入的具有毒、強(qiáng)污染、強(qiáng)輻射區(qū)域的物質(zhì)的元素成分及含量進(jìn)行探測。


圖I為本發(fā)明的原理圖。在圖中，I、激光調(diào)制單元2、連續(xù)激光器3、半反半透鏡4、鑒相器5、放大電路
6、光電探測單元7、接收光學(xué)天線8、發(fā)射光學(xué)天線9、脈沖激光器10、帶孔反射鏡11、 擴(kuò)束準(zhǔn)直組件12、望遠(yuǎn)光學(xué)組件12-1、凹透鏡組12-2、凸透鏡組13、步進(jìn)驅(qū)動微控制組件
14、光譜采集光學(xué)組件15、耦合透鏡16、微型光譜儀17、計(jì)算機(jī)18、待測目標(biāo)。
具體實(shí)施方案如圖I所示，本發(fā)明所采用的探測裝置包括連續(xù)激光測距、脈沖激光遠(yuǎn)程聚焦和等離子體光譜遠(yuǎn)程采集三個(gè)子系統(tǒng)。其中連續(xù)激光測距子系統(tǒng)由激光調(diào)制單元1，連續(xù)激光器2，半反半透鏡3，鑒相器4，放大電路5，光電探測單元6，接收光學(xué)天線7和發(fā)射光學(xué)天線8組成.脈沖激光遠(yuǎn)程聚集子系統(tǒng)由脈沖激光器9，帶孔反射鏡10，擴(kuò)束準(zhǔn)直組件 11，望遠(yuǎn)光學(xué)組件12和步進(jìn)驅(qū)動微控制組件13組成；其中望遠(yuǎn)光學(xué)組件12又由凹透鏡組 12-1和凸透鏡組12-2組成.等離子體光譜遠(yuǎn)程采集子系統(tǒng)由光譜采集光學(xué)組件14，耦合透鏡15，微型光譜儀16和計(jì)算機(jī)17組成。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，通過激光調(diào)制單元I對連續(xù)激光器2(波長532nm)進(jìn)行調(diào)制，可輸出強(qiáng)度以一定頻率正弦變化的連續(xù)激光，調(diào)制后的激光一部分透射經(jīng)過半反半透鏡3后，經(jīng)過發(fā)射光學(xué)天線8傳輸?shù)竭h(yuǎn)程待測目標(biāo)18;另一部分激光被半反半透鏡3反射到鑒相器4.經(jīng)發(fā)射光學(xué)天線8到達(dá)遠(yuǎn)程待測目標(biāo)18的某一待測點(diǎn)后，反射回來的激光信號由接收光學(xué)天線7收集到光電探測單元6并被其傳感，經(jīng)過放大電路5信號放大之后進(jìn)入鑒相器4，并與調(diào)制激光被半反半透鏡3反射到鑒相器4的激光信號進(jìn)行相位比較， 并根據(jù)相位法激光測距原量計(jì)算出發(fā)射光學(xué)天線8和目標(biāo)待測點(diǎn)的距離I20望遠(yuǎn)光學(xué)組件12與發(fā)射光學(xué)天線8之間的水平距離為I1'望遠(yuǎn)光學(xué)組件12軸線與發(fā)射光學(xué)天線8、接收光學(xué)天線7中心線之間的垂直距離為I3.則有
權(quán)利要求
1.一種種遠(yuǎn)程激光誘導(dǎo)等離子體光譜探測方法，實(shí)現(xiàn)該方法采用的裝置包括連續(xù)激光測距、脈沖激光遠(yuǎn)程聚焦和等離子體光譜遠(yuǎn)程采集三個(gè)子系統(tǒng)；其中連續(xù)激光測距子系統(tǒng)由激光調(diào)制單元，連續(xù)激光器，半反半透鏡，鑒相器，放大電路，光電探測單元，接收光學(xué)天線和發(fā)射光學(xué)天線組成；脈沖激光遠(yuǎn)程聚集子系統(tǒng)由脈沖激光器，帶孔反射鏡，擴(kuò)束準(zhǔn)直組件，望遠(yuǎn)光學(xué)組件和步進(jìn)驅(qū)動微控制組件組成；其中望遠(yuǎn)光學(xué)組件又由凹透鏡組和凸透鏡組組成，等離子體光譜遠(yuǎn)程采集子系統(tǒng)由光譜采集光學(xué)組件，耦合透鏡，微型光譜儀和計(jì)算機(jī)組成，其特征是通過激光調(diào)制單元對連續(xù)激光器進(jìn)行調(diào)制，輸出正弦變化的連續(xù)激光， 調(diào)制后的激光一部分透射經(jīng)過半反半透鏡后，經(jīng)過發(fā)射光學(xué)天線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程待測目標(biāo)； 另一部分激光被半反半透鏡反射到鑒相器，經(jīng)發(fā)射光學(xué)天線到達(dá)遠(yuǎn)程待測目標(biāo)的某一待測點(diǎn)后，反射回來的激光信號由接收光學(xué)天線收集到光電探測單元并被其傳感，經(jīng)過放大電路信號放大之后進(jìn)入鑒相器，并與調(diào)制激光被半反半透鏡反射到鑒相器的激光信號進(jìn)行相位比較，并根據(jù)相位法激光測距原量計(jì)算出發(fā)射光學(xué)天線和目標(biāo)待測點(diǎn)的距離I2 ； 望遠(yuǎn)光學(xué)組件與發(fā)射光學(xué)天線之間的水平距離為Λ;望遠(yuǎn)光學(xué)組件軸線與發(fā)射光學(xué)天線、接收光學(xué)天線中心線之間的垂直距離為ι3·則有
全文摘要
本發(fā)明公開了一種遠(yuǎn)程激光誘導(dǎo)等離子體光譜探測方法，它包含了連續(xù)激光測距、強(qiáng)脈沖激光遠(yuǎn)程聚焦和等離子體光譜遠(yuǎn)程采集三個(gè)子系統(tǒng)及基于該三個(gè)子系統(tǒng)的探測方法。其中連續(xù)激光測距子系統(tǒng)采用相位法測量發(fā)射光學(xué)天線與待測目標(biāo)點(diǎn)的距離,并計(jì)算得到強(qiáng)脈沖激光遠(yuǎn)程聚集子系統(tǒng)中望遠(yuǎn)光學(xué)組件與待測目標(biāo)點(diǎn)的距離和偏移角度(即為望遠(yuǎn)光學(xué)組件遠(yuǎn)程物方焦點(diǎn)坐標(biāo))。本發(fā)明的特點(diǎn)是通過測量目標(biāo)待測點(diǎn)的距離和偏移角度，以實(shí)現(xiàn)脈沖激光的遠(yuǎn)程聚集，能進(jìn)行遠(yuǎn)程物質(zhì)的精確在線元素分析，結(jié)構(gòu)簡單、測量速度快、效率高,適合在人類無法進(jìn)入的具有毒、強(qiáng)污染、強(qiáng)輻射區(qū)域的物質(zhì)的元素成分及含量探測。
文檔編號G01N21/63GK102608079SQ201210053319
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月3日
發(fā)明者萬雄, 葉健華, 張志敏 申請人:南昌航空大學(xué)