一种用于爆轰气相产物水成分动态检测的方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于太赫兹波差分光谱的爆轰气相产物水成分动态检测方法，利用太赫兹波对于爆轰附加产物粉尘的高穿透性，以及水对于太赫兹波的高吸收特性，结合远红外差分光谱技术的高检测灵敏性，实现对爆轰产物水成分的动态定量实时检测，并给出信号提取处理方法；本发明的优点在于：可在商用的通信光纤低损耗传输，能实现激光泵浦泵浦源和太赫兹发射端的远距离分离，保证操作人员的安全性；保证了不同频率太赫兹波之间传播方向和强度的一致性，有效排除了由传播方向和强度的不一致性对于实验结果的干扰；响应速度快，能有效反应爆轰产物水成分动态吸收过程，同时不采用锁相放大器采集信号，缩短了系统的运行时间。
【专利说明】一种用于爆轰气相产物水成分动态检测的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太赫兹光谱检测【技术领域】，具体涉及光混频太赫兹产生技术、电光调制技术、太赫兹波差分光谱检测技术、以及快响应太赫兹波探测技术，本发明适用于绝大部分爆轰产物水成分动态检测应用。
【背景技术】
[0002]C、H、N、O四种元素组成的炸药爆轰后主要产物是N2、H20和C02。爆轰产物的成分含量的实时检测，将为分析爆轰过程、确定状态方程以及建立爆轰过程的动力学模型提供有价值信息。
[0003]目前爆轰产物的常规检测手段主要有气相色谱以及离子色谱两种。气相色谱分析爆轰产物主要是利用爆轰产物中不同组成成分之间的沸点、极性及吸附性的差异来实现爆轰产物成分识别以及定量检测，其检测爆轰产物的主要过程为在爆轰过程完成后，对爆轰产物进行采样制成待测样品，然后将样品放入气相色谱的气体腔室，在惰性气体的引领下，进入色谱柱(柱内含有液体或固体固定相)，由于样品中各组分的沸点、极性或吸附性能不同，每种组份都倾向于在流动相和固定相之间形成分配或吸附平衡。但由于载气(惰性气体)的流动性导致这种平衡难以建立，故可使样品组分在载气运动过程中多次反复进行分配或吸附/解吸附，最后使样品中浓度大的组分先流出色谱柱，而在固定相中分配浓度大的组分后流出，从而实现爆轰气体产物组成成份定性检测以及定量检测。离子色谱的分离机理主要是离子交换，检测爆轰产物的主要过程为在爆轰过程完成后，对爆轰产物进行采样制成待测样品，通过高效离子交换色谱(通过离子交换实现组成成分分离)、离子排斥色谱(通过离子排斥实现组成成份分离)或离子对色谱(通过吸附和离子对的形成实现组成成份分离)三种方式实现样品组成成份分离，最后通过电化学或者光化学手段对个组成成份进行定量检测。由上述可知，气相色谱和离子色谱均能实现爆轰产物的定性检测以及高灵敏度的定量检测，但两者对于爆轰产物的检测，均只能在爆轰过程完成后，对爆轰产物进行采样制样后才能实现爆轰产物的检测，不具备实时检测的能力，且不能实现爆轰反应过程中爆轰产物含量的动态检测，因此难以为分析爆轰过程、确定状态方程以及建立爆轰过程的动力学模型提供有价值动态信息。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了实现爆轰产物水成分的动态实时测量，提供一种用于爆轰产物水成分动态检测的太赫兹波差分光谱技术，利用太赫兹波对于爆轰附加产物粉尘的高穿透性，以及水对于太赫兹波的高吸收特性，结合远红外差分光谱技术的高检测灵敏性，实现对爆轰产物水成分的动态定量实时检测，并给出信号提取处理方法。
[0005]为实现上述发明目的，采用以下技术方案:
一种基于太赫兹波差分光谱的爆轰气相产物水成分动态检测方法，该方法包括光混频太赫兹波、振幅调制、快响应太赫兹探测三个部分，具体步骤如下: 光混频太赫兹波和振幅调制:采用两路频率不同的激光，其中一路激光作为本地振荡源，另一路激光通过光电调制器进行振幅调制产生两个变频带，通过光纤耦合器将两路激光同时注入快响应的光电二极管中，发生光混频效应，辐射出频率相近的传播方向相同的不同频率的太赫兹波；
辐射出的不同频率的太赫兹波，其中一个频率位于水特征吸收峰，另一个频率在水特征吸收峰之外的相近频率；
快响应太赫兹探测:由天线辐射出的两路太赫兹波快速进入并穿过爆炸区域，由太赫兹探测器接收穿过爆炸区域的两路太赫兹波，太赫兹探测器将接收到两路激光的损耗信息传送给计算机，由计算机将信息解码还原，实现对爆炸区域的水成分含量的动态定量检测。
[0006]在上述技术方案中，所述的不同频率的激光输出由工作波长在1550nm波段的两台可调谐半导体激光器分别输出。
[0007]在上述技术方案中，所述频率位于水特征吸收峰的太赫兹波在传输过程中会被爆炸区域内的水大量吸收及粉尘等颗粒散射损耗，导致该频率太赫兹波在被太赫兹探测器接收时出现衰减。
[0008]在上述技术方案中，其特征在于所述频率位于水特征吸收峰外的相近频率太赫兹波在传输过程中会被爆炸区域内的粉尘等颗粒散射损耗，导致该频率太赫兹波在太赫兹探测器接收时同样会出现衰减。
[0009]在上述技术方案中，通过对比所述频率位于水特征吸收峰的太赫兹波的信号衰减和频率位于水特征吸收峰之外的太赫兹波的信号衰减，可得到频率位于水特征吸收峰的太赫兹波信号仅由水吸收而造成的衰减。
[0010]综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:
基于光混频原理产生太赫兹波，其优点在于泵浦激光采用1550nm波段的中红外激光，可在商用的通信光纤低损耗传输，能实现激光泵浦泵浦源和太赫兹发射端的远距离分离，保证操作人员的安全性。
[0011]采用振幅调制方式实现双频率太赫兹波发射，其优点在于在实现两个频率太赫兹波发射的基础上，保证了不同频率太赫兹波之间传播方向和强度的一致性，有效排除了由传播方向和强度的不一致性对于实验结果的干扰。
[0012]采用差分光谱检测技术，其优点在于利用水在太赫兹波段窄吸收峰特性，通过频率相近但在水特征吸收峰之外的同向传输的太赫兹波排除散射等其他因素对于太赫兹的损耗，得出在水特征吸收峰处的太赫兹波只与水吸收相关的吸收损耗值。
[0013]采用快响应太赫兹无源探测器探测太赫兹差分信号，其优点在于响应速度快，能有效反应爆轰产物水成分动态吸收过程，同时不采用锁相放大器采集信号，缩短了系统的运行时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中:
图1是本发明的实施过程示意图；
其中:1是可调谐半导体激光器；2是光纤；3是电光调制器；4是光纤耦合器；5是太赫兹发射器；6是太赫兹透镜；7是太赫兹探测器；8是太赫兹波；9是计算机，10是太赫兹差分光谱信号。
【具体实施方式】
[0015]如图1所示，本发明具体实施如下:
本发明采用工作波长在1550nm波段的两台可调谐半导体激光器分别输出不同波长的激光，两者频率间隔在太赫兹波段，其中一路连续激光作为本地振荡源直接通过光纤传输，另外一路连续激光经过电光调制器进行振幅调制产生两个边频带，两路激光通过光纤耦合器同时注入快响应的光电二极管中，快响应的光电二极管也就是图中的太赫兹发射器。两路激光在快响应的光电二极管中发生光混频效应，然后通过天线辐射出频率相近的两个不同频率的太赫兹波。在这个过程中，通过两路调谐半导体激光器的频率差以及振幅调制的正弦波频率，可使太赫兹波的其中一个频率位于水特征吸收峰，另外一个频率在水特征吸收峰之外的相近频率，产生水成分检测的差分检测太赫兹波信号。太赫兹波由太赫兹波透镜准直后透射经过爆轰区域，再由太赫兹波透镜聚焦到太赫兹探测器上。两路太赫兹波在爆炸区域中，其中频率位于水特征吸收峰中的一路会被爆炸区域中的水分大量吸收和粉尘颗粒散射损耗，导致该路太赫兹波在爆炸区域中传输过程中会不停衰减，而另一路太赫兹波因为频率不在水特征吸收峰中，在爆炸区域中只会被粉尘颗粒散射损耗，就会出现相对较小的衰减，两路太赫兹波在被接收后就会出现明显的能量差异，因此太赫兹探测器将接收到的信号由计算机进行分析爆轰过程中两个频率太赫兹波的损耗值之间差值随时间的变化，即实现爆轰产物中水成分含量的动态定量检测。
[0016]本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
【权利要求】
1.一种基于太赫兹波差分光谱的爆轰气相产物水成分动态检测方法，其特征在于该方法包括光混频太赫兹波、振幅调制、快响应太赫兹探测三个部分，具体步骤如下: 光混频太赫兹波和振幅调制:采用两路频率不同的激光，其中一路激光作为本地振荡源，另一路激光通过光电调制器进行振幅调制产生两个变频带，通过光纤耦合器将两路激光同时注入快响应的光电二极管中，发生光混频效应，辐射出频率相近的传播方向相同的不同频率的太赫兹波； 辐射出的不同频率的太赫兹波，其中一个频率位于水特征吸收峰，另一个频率在水特征吸收峰之外的相近频率； 快响应太赫兹探测:由天线辐射出的两路太赫兹波快速进入并穿过爆炸区域，由太赫兹探测器接收穿过爆炸区域的两路太赫兹波，太赫兹探测器将接收到两路激光的损耗信息传送给计算机，由计算机将信息解码还原，实现对爆炸区域的水成分含量的动态定量检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波差分光谱的爆轰气相产物水成分动态检测方法，其特征在于所述的不同频率的激光输出由工作波长在1550nm波段的两台可调谐半导体激光器分别输出。
3.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波差分光谱的爆轰气相产物水成分动态检测方法，其特征在于所述频率位于水特征吸收峰的太赫兹波在传输过程中会被爆炸区域内的水大量吸收及粉尘等颗粒散射损耗，导致该频率太赫兹波在被太赫兹探测器接收时出现衰减。
4.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波差分光谱的爆轰气相产物水成分动态检测方法，其特征在于其特征在于所述频率位于水特征吸收峰外的相近频率太赫兹波在传输过程中会被爆炸区域内的粉尘等颗粒散射损耗，导致该频率太赫兹波在太赫兹探测器接收时同样会出现衰减。
5.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波差分光谱的爆轰气相产物水成分动态检测方法，其特征在于通过对比所述频率位于水特征吸收峰的太赫兹波的信号衰减和频率位于水特征吸收峰之外的太赫兹波的信号衰减，可得到频率位于水特征吸收峰的太赫兹波信号仅由水吸收而造成的衰减。
【文档编号】G01N21/3504GK104266994SQ201410528509
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】李江, 朱礼国, 刘乔, 孟坤, 钟森诚, 翟召辉, 彭其先, 李泽仁 申请人:中国工程物理研究院流体物理研究所