一种用于FTIR光谱仪探测痕量物质所在区域的系统及方法与流程

一种用于ftir光谱仪探测痕量物质所在区域的系统及方法
技术领域
1.本发明涉及一种用于ftir光谱仪探测痕量物质所在区域的系统及方法，主要应用于遥测ftir光谱仪的监测范围内的目标对准、气体成分识别及浓度检测，监测半径5km，属于光学痕量检测技术领域。


背景技术：

2.傅里叶变换红外(ftir)技术在有毒有害气体及化学战剂的监测中得到了广泛应用，它能够快速连续在线监测，以及对多组分气体的同时监测，逐渐成为大气环境中有毒有害气体及化学战剂监测的主要手段。在被动式遥感ftir光谱仪中，通过水平和俯仰扫描对全方位进行监测，望远镜收集待测物质的信息通过ftir光谱仪探测识别，为了避免不必要的财产和人员损失，这要求需准确定位痕量有毒有害气体或化学战剂的位置。
3.现有技术通过在望远镜旁边安装大视场可视化相机拍摄出全画幅照片，并将探测到相应物质的位置信息显示在可视化相机拍摄的大视场的全画幅照片的对应位置，但在远距离测量中，痕量物质的实际位置与可视化观测到的位置将随距离的变化产生不同程度的偏离，不能准确定位痕量有毒有害气体及化学战剂的位置，达不到ftir光谱仪探测痕量物质所在区域的目的。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题是：提出一种用于ftir光谱仪探测痕量物质所在区域的系统及方法，能够解决现有遥测ftir光谱仪远距离探测痕量物质时，难以实现指哪儿测哪儿的问题，采用双通道共透镜式望远镜系统，利用分波段的方法，在不影响遥测ftir光谱仪能量利用率的情况下，将望远镜探测到的区域单独成像，并在可视化相机全画幅照片上匹配对应位置，达到准确定位痕量物质的目的。
5.本发明的技术解决方案是：
6.一种用于ftir光谱仪探测痕量物质所在区域的系统，该系统包括望远镜、分束镜、成像镜组、探测器、望远镜出射光瞳、ftir光谱仪、可视化相机；
7.所述的望远镜包括望远物镜和望远目镜，望远物镜包括内通道和外通道，望远目镜包括内通道和外通道；
8.7-14μm红外波段依次通过望远物镜的内通道、望远目镜的内通道后照射到分束镜上，7-14μm红外波段在分束镜上全透过后经过望远镜出射光瞳进行光瞳对接后进入到ftir光谱仪，ftir光谱仪根据接收到的7-14μm红外波段光谱特征进行远距离痕量物质的探测识别；
9.0.9-1.7μm近红外波段依次通过望远物镜的外通道、望远目镜的外通道后照射到分束镜上，0.9-1.7μm近红外波段在分束镜上进行全反射后照射到成像镜组上，0.9-1.7μm近红外波段在成像镜组上聚焦后在探测器上成像，探测器对成像进行图像信息采集，得到图像信息，得到的图像信息作为ftir光谱仪的探测区域；
10.将得到的图像信息与可视化相机拍摄的全画幅照片进行特征匹配，找到对应位置，得到ftir光谱仪探测到的痕量物质所在区域。
11.优选的，所述的望远物镜是以直径为d1的内通道进行扩展得到，扩展后的望远物镜的直径为1.5d1；
12.所述的望远目镜是以直径为d2的内通道进行扩展得到，扩展后的望远目镜的直径为1.5d2。
13.优选的，所述的望远物镜的内通道范围为：以望远物镜的中心为圆心，以d1为半径组成的圆；
14.所述的望远目镜的内通道范围为：以望远目镜的中心为圆心，以d2为半径组成的圆；
15.所述的望远物镜的外通道范围为一圆环：圆环以望远物镜的中心为圆心，以d1为内径，以1.5d1为外径；
16.所述的望远目镜的外通道范围为一圆环：圆环以望远目镜的中心为圆心，以d2为内径，以1.5d2为外径。
17.优选的，所述的望远物镜的内通道镀7-14μm增透膜，望远目镜的内通道镀7-14μm增透膜；
18.所述的望远物镜的外通道镀0.9-1.7μm增透膜，望远目镜的外通道镀0.9-1.7μm增透膜。
19.优选的，所述的望远镜是双通道共透镜式，望远镜的内通道包括望远物镜的内通道和望远目镜的内通道，望远镜的外通道包括望远物镜的外通道和望远目镜的外通道；望远镜的内通道监测视场大小与望远镜的外通道监测视场大小相等。
20.优选的，所述的望远镜的外通道与内通道的探测视场相同，探测波段不同，望远镜的视场内的物质信息由内通道7-14μm识别，图像信息由外通道0.9-1.7μm分辨。
21.优选的，所述的分束镜上镀7-14μm增透膜，分束镜为分波段分束镜，0.9-1.7μm高反射率、7-14μm高透射率，选用材料为锗。
22.优选的，所述的ftir光谱仪的波数为1500～700cm-1
。
23.优选的，所述望远镜的出射光瞳直径与ftir光谱仪的入射光瞳直径一致均为e2；所述望远镜的最大有效出射视场与ftir光谱仪的最大有效入射视场一致均为w2；望远镜出射光瞳与ftir光谱仪的入射光瞳位置重合；
24.若望远镜要求探测的有效视场为w1，可得望远镜的放大倍率为tanw2/tanw1，则望远镜的入射光瞳直径e1＝e2*(tanw2/tanw1)。
25.一种ftir光谱仪探测到的痕量物质所在区域的确定方法，该方法包括：
26.远距离痕量物质发出的辐射中的7-14μm红外波段光谱依次通过望远物镜的内通道、望远目镜的内通道后照射到分束镜上，在分束镜上全透过后经过望远镜出射光瞳进行光瞳对接后进入到ftir光谱仪，ftir光谱仪根据接收到的7-14μm红外波段光谱特征进行远距离痕量物质的探测识别；
27.远距离痕量物质发出的辐射中的0.9-1.7μm近红外波段通过望远物镜的外通道、望远目镜的外通道后照射到分束镜上，0.9-1.7μm近红外波段在分束镜上进行全反射后照射到成像镜组上，0.9-1.7μm近红外波段在成像镜组上聚焦后在探测器上成像，探测器对成
像进行图像信息采集，得到图像信息，得到的图像信息作为ftir光谱仪的探测区域；
28.将得到的图像信息与可视化相机拍摄的全画幅照片进行特征匹配，找到对应位置，即得到ftir光谱仪探测到的痕量物质所在区域。
29.本发明的优点和有益效果：
30.1、本发明采用双通道共透镜式望远镜，内通道优先保证ftir光谱仪的光通量，采用分波段分束镜，分光后不会降低ftir光谱仪的通光量及能量利用率，能够有效保证痕量物质的检出限。
31.2、本发明采用双通道共透镜式望远镜，外通道成像在探测器上，可以准确定位望远镜探测到的区域，能够有效降低光学结构的加工精度和装调难度，有利于实现工程化生产。
32.3、本发明采用透射式望远镜，相比于开放式的卡式望远镜，对遥测ftir光谱仪整机而言，密封性能更好，能有效增加仪器的使用寿命并在更复杂的环境下使用，且体积、重量更小，更适合应用于机载、车载等军用领域。
33.4、本发明公开了一种用于ftir光谱仪探测痕量物质所在区域的系统及方法，该系统包括望远镜、望远物镜、望远目镜、分束镜、成像镜组、探测器、望远镜出射光瞳、ftir光谱仪、可视化相机。望远镜由望远物镜和望远目镜组成，为了ftir光谱仪能够实现指哪儿测哪儿，提供了一种双通道共透镜式望远镜，两个通道观测视场大小一致，外通道利用0.9-1.7μm波段对望远镜观测到的区域单独成像，内通道利用7-14μm波段进行有毒有害气体及化学战剂探测。采用分波段的方法，外通道不会影响内通道的能量利用率，有效保证了痕量物质被动遥测的检出限，外通道成像在探测器上，可以准确定位望远镜探测到的区域，并匹配该区域与可视化相机全画幅照片上的对应位置，达到准确定位痕量物质的目的，能够有效释放光学结构的加工精度和装调难度，有利于实现工程化生产。
附图说明
34.图1为本发明用于ftir光谱仪探测痕量物质所在区域的系统组成示意图；
35.图2为本发明望远镜内通道光路示意图；
36.图3为本发明望远镜内通道光学性能示意图；
37.图4为本发明望远镜外通道光路示意图；
38.图5为本发明所述望远镜外通道光学性能示意图；
39.图6为本发明所述用于ftir光谱仪的双通道共透镜式望远镜系统光路示意图；
40.其中，1-望远镜；1.1-望远物镜；1.2-望远目镜；2-分束镜；3-成像镜组；4-探测器；5-望远镜出射光瞳；6-ftir光谱仪；7-可视化相机。
具体实施方式
41.下面结合附图对本发明做进一步描述。
42.一种用于ftir光谱仪探测痕量物质所在区域的系统，该系统包括望远镜1、分束镜2、成像镜组3、探测器4、望远镜出射光瞳5、ftir光谱仪6、可视化相机7；
43.所述的望远镜1包括望远物镜1.1和望远目镜1.2，望远物镜1.1包括内通道和外通道，望远目镜1.2包括内通道和外通道；
44.所述的望远物镜1.1是以直径为d1的内通道进行扩展得到，扩展后的望远物镜1.1的直径为1.5d1；
45.所述的望远目镜1.2是以直径为d2的内通道进行扩展得到，扩展后的望远目镜1.2的直径为1.5d2；
46.所述的望远物镜1.1的内通道范围为：以望远物镜1.1的中心为圆心，以d1为半径组成的圆；
47.所述的望远目镜1.2的内通道范围为：以望远目镜1.2的中心为圆心，以d2为半径组成的圆；
48.所述的望远物镜1.1的外通道范围为一圆环：圆环以望远物镜1.1的中心为圆心，以d1为内径，以1.5d1为外径；
49.所述的望远目镜1.2的外通道范围为一圆环：圆环以望远目镜1.2的中心为圆心，以d2为内径，以1.5d2为外径；
50.所述的望远物镜1.1的内通道镀7-14μm增透膜，望远目镜1.2的内通道镀7-14μm增透膜；
51.所述的望远物镜1.1的外通道镀0.9-1.7μm增透膜，望远目镜1.2的外通道镀0.9-1.7μm增透膜；
52.所述的望远镜1是双通道共透镜式，望远镜1的内通道包括望远物镜1.1的内通道和望远目镜1.2的内通道，望远镜1的外通道包括望远物镜1.1的外通道和望远目镜1.2的外通道；
53.所述的望远镜1的内通道监测视场大小与望远镜1的外通道监测视场大小相等；
54.所述的望远物镜1.1选择兼顾0.9-1.7μm、7-14μm两个波段的材料，内通道镀7-14μm增透膜，平均透过率大于92％；外通道镀0.9-1.7μm增透膜，平均透过率大于85％；
55.所述的望远目镜1.2选择兼顾0.9-1.7μm、7-14μm两个波段的材料，内通道镀7-14μm增透膜，平均透过率大于92％；外通道镀0.9-1.7μm增透膜，平均透过率大于85％；
56.所述的望远镜1的外通道与内通道的探测视场相同，探测波段不同，望远镜1的视场内的物质信息由内通道7-14μm识别，图像信息由外通道0.9-1.7μm分辨；
57.所述的分束镜2上镀7-14μm增透膜，分束镜2为分波段分束镜，0.9-1.7μm高反射率、7-14μm高透射率，选用材料为锗；
58.所述的ftir光谱仪6的波数为1500～700cm-1
(7-14μm)；
59.所述望远镜1的出射光瞳直径与ftir光谱仪6的入射光瞳直径一致均为e2；所述望远镜1的最大有效出射视场与ftir光谱仪6的最大有效入射视场一致均为w2；
60.所述望远镜出射光瞳5与ftir光谱仪6的入射光瞳位置重合；
61.若望远镜1要求探测的有效视场为w1，可得望远镜1的放大倍率为tanw2/tanw1，则望远镜1的入射光瞳直径e1＝e2*(tanw2/tanw1)；
62.所述的可视化相机7用于对远距离目标区域进行实时拍摄望远镜1同方向的全画幅照片；
63.7-14μm红外波段依次通过望远物镜1.1的内通道、望远目镜1.2的内通道后照射到分束镜2上，7-14μm红外波段在分束镜2上全透过后经过望远镜出射光瞳5进行光瞳对接后进入到ftir光谱仪6，ftir光谱仪6根据接收到的7-14μm红外波段光谱特征进行远距离痕量
物质的探测识别；
64.0.9-1.7μm近红外波段依次通过望远物镜1.1的外通道、望远目镜1.2的外通道后照射到分束镜2上，0.9-1.7μm近红外波段在分束镜2上进行全反射后照射到成像镜组3上，0.9-1.7μm近红外波段在成像镜组3上聚焦后在探测器4上成像，探测器4对成像进行图像信息采集，得到图像信息，得到的图像信息作为ftir光谱仪6的探测区域；
65.将得到的图像信息与可视化相机7拍摄的全画幅照片进行特征匹配，找到对应位置，即得到ftir光谱仪6探测到的痕量物质所在区域。
66.一种ftir光谱仪6探测到的痕量物质所在区域的确定方法，该方法的步骤为：
67.第一步，远距离痕量物质发出的辐射中的7-14μm红外波段物质信息依次通过望远物镜1.1的内通道、望远目镜1.2的内通道后照射到分束镜2上，在分束镜2上全透过后经过望远镜出射光瞳5进行光瞳对接后进入到ftir光谱仪6，ftir光谱仪6根据接收到的7-14μm红外波段光谱特征进行远距离痕量物质的探测识别；
68.第二步，在监测痕量物质的同时，远距离痕量物质所在区域发出的辐射中的7-14μm近红外波段图像信息通过望远物镜1.1的外通道、望远目镜1.2的外通道后照射到分束镜2上，0.9-1.7μm近红外波段在分束镜2上进行全反射后照射到成像镜组3上，0.9-1.7μm近红外波段在成像镜组3上聚焦后在探测器4上成像，探测器4对成像进行图像信息采集，得到图像信息，得到的图像信息作为ftir光谱仪6的探测区域；
69.第三步，将得到的图像信息与可视化相机7拍摄的全画幅照片进行特征匹配，找到对应位置，即得到ftir光谱仪6探测到的痕量物质所在区域。
70.如图1所示，用于ftir光谱仪探测痕量物质所在区域的系统，该系统包括望远镜1、望远物镜1.1、望远目镜1.2、分束镜2、成像镜组3、探测器4、望远镜出射光瞳5、ftir光谱仪6、可视化相机7。
71.设ftir光谱仪6的入射光瞳直径为e2，最大有效视场为w2。为了对远距离的有毒有害气体及化学战剂进行痕量检测，需要ftir光谱仪6有更大的光通量，则望远镜1与ftir光谱仪6要进行光瞳匹配，即望远镜出射光瞳5与ftir光谱仪6的入射光瞳进行匹配，包括光瞳位置、光瞳直径、有效视场三者匹配。因此望远镜出射光瞳5与ftir光谱仪6的入射光瞳位置需要重合，且光瞳直径与有效视场需要分别相等，即望远镜1的出射光瞳直径为e2，最大有效出射视场为w2。若望远镜1要求探测的有效视场为w1，可得望远镜1的放大倍率为tanw2/tanw1，则望远镜1的入射光瞳直径e1＝e2*(tanw2/tanw1)。
72.所述望远镜1由望远物镜1.1和望远目镜1.2组成，望远镜1的光谱范围、有效视场、光瞳直径、出瞳位置均已知，利用光学设计软件对望远镜1的光路进行设计，设计完成可以得到望远物镜1.1与望远目镜1.2的具体镜片数据。此时的望远物镜1.1与望远目镜1.2直径为望远镜1的内通道，即用来远距离探测痕量物质的通道，设此时的望远物镜1.1直径为d1，望远目镜1.2直径为d2。
73.所述望远镜1的望远物镜1.1与望远目镜1.2内通道直径扩展至其1.5倍，其中望远物镜1.1的(0～1)*d1与望远目镜1.2的(0～1)*d2为望远镜1的内通道，望远物镜1.1的(1～1.5)*d1与望远目镜1.2的(1～1.5)*d2为望远镜1的外通道。望远镜1的内通道镀7-14μm增透膜，即望远物镜1.1的(0～1)*d1与望远目镜1.2的(0～1)*d2区域镀7-14μm增透膜；望远镜1的内通道镀0.9-1.7μm增透膜，即望远物镜1.1的(1～1.5)*d1与望远目镜1.2的(1～
1.5)*d2区域镀0.9-1.7μm增透膜。
74.所述望远镜1在7-14μm波段设计至光学性能最佳状态，则在0.9-1.7μm波段由于色差会使该波段光学性能降低；望远物镜1.1的(1～1.5)*d1与望远目镜1.2的(1～1.5)*d2由于孔径的增大，会产生较大的垂轴像差，降低光学性能；两者均会引起成像不清晰。因此通过望远镜1的0.9-1.7μm波段的光，经分束镜2反射后需要通过成像镜组3再成像，补偿望远镜1引起的像差，使望远镜1探测到的区域图像成像在探测器4上。所述分束镜2镀7-14μm增透膜即可，试验测得在0.9-1.7μm有较好的反射率，可以兼顾ftir光谱仪6探测与探测器4成像两路光路。
75.所述探测器4采集到的图像信息在可视化相机7的全画幅照片中进行特征匹配，找到对应位置，即ftir光谱仪6探测到的痕量物质所在区域，当遥测ftir光谱仪6在扫描过程中探测到痕量物质的成分时，在全画幅照片中的不同区域将显示出探测到的痕量物质成分分布，达到准确定位痕量物质的目的。
76.实施例
77.将本发明用于ftir的双通道共透镜式望远镜系统进行说明，若所述ftir光谱仪6的入瞳大小为25mm、入瞳位置距望远镜1的后表面100mm，则望远镜1的出瞳大小为25mm，出瞳位置位于其后表面100mm。查询资料发现，用于ftir光谱仪6的望远镜视场大小通常为10
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10mrad、放大倍率为2～3倍，则望远镜1的对角线视场为14mrad，放大倍率以2倍进行描述。
78.为了保证望远镜1双通道共透镜，则望远物镜1.1、望远目镜1.2需选择兼顾0.9-1.7μm、7-14μm两个波段的材料，分别为irg207、zns_broad。对7-14μm内通道优化设计，得到望远镜1内通道光路示意图，如图2所示；内通道光学性能示意图如图3所示，达到衍射极限，说明望远镜1内通道的出射光线具有优异的平行度，有利于后续ftir光谱仪6准确识别有毒有害气体及化学战剂。
79.在上述望远镜1的基础上，不改变望远物镜1.1、望远目镜1.2的镜子数据，由于沿轴色差与垂轴像差的影响，0.9-1.7μm外通道光学性能降低，因此经过分束镜2反射后，需要优化成像镜组3提升光学性能，最终成像于探测器4上。得到望远镜1外通道光路示意图，如图4所示；外通道光学性能示意图如图5所示，光学性能较内通道较差，但能够正常分辨图像信息，不影响其与可视化相机7的全画幅照片对应位置进行特征匹配，能达到准确定位望远镜1观测区域，即能准确定位痕量物质的位置。
80.所述用于ftir光谱仪的双通道共透镜式望远镜系统光路示意图，由图2所示的望远镜1的内通道光路示意图和图4所示的望远镜1的外通道光路示意图组成，如图6所示。