一种便携非接触式激光酒精测量装置的制作方法

本实用新型属于光电探测领域，涉及一种便携非接触式激光酒精测量装置。

背景技术：

我国是世界上人口最多的国家，也是饮酒人数最多的国家，因此我国属于酒后驾驶事故多发生国家。据统计，我国因酒后驾驶发生的交通事故概率是非酒后驾驶发生概率的27倍，而且每三起酒后驾驶交通事故就会有一人死亡，我国因酒后驾驶造成死亡的人数已经连续二十年居世界首位。因此，我国交通执法部门从未放松对酒后驾驶(酒驾和醉驾)的检查。但是，随着我国经济的飞速发展，个人家庭购买车辆的数量在不断增加，我国近几年来的私人拥有车辆一直保持着大于每年两千万辆的数量增长，这对交通执法部门的执法能力要求进一步提高。

目前用于交警现场快速执法的酒驾检测仪器主要以呼吸检测为主，主要类型有燃料电池型、半导体型和比色法型。但这些产品均存在着一些缺点，主要有以下几个方面：

1、燃料电池型酒检设备属于电化学反应，该类产品虽然体积小、便于携带，但这种设备存在比较严重的时间漂移和温度漂移，需要定期校正；

2、半导体型酒检设备属于物理反应，该类产品的灵敏度与燃料电池型相比较高，但使用时需要预热，功耗较大，稳定性较差，一般工作寿命小于2年；

3、比色法检测仪器属于化学反应，操作比较简单，但该类产品易受甲醛、甲醇等物质的影响，检测精度不高。

目前常用的酒后驾驶快速检测仪器在使用时，除了存在上述各自缺点和不足外，还存在一些共有的缺陷，主要有以下几点：

(1)检测效率较低

均需要交警执法人员将车辆拦停，然后需要驾驶员配合用嘴对准检测仪器吹气方能完成检查，因此检测效率比较低。

(2)引起道路拥堵

在检查时，若是对过往每一辆车辆进行检查，则可能引起严重的道路拥堵；若是交警执法人员对过往车辆进行随机抽检，则存在漏检的可能。

(3)卫生安全隐患

在实际使用时，需要驾驶员用嘴对准检测仪器进行吹气检查，若不及时更换进气嘴，则存在卫生安全隐患。

技术实现要素：

为了解决技术背景中现有技术产品所存在不足和局限性，实现对道路过往车辆内部的酒精分子含量的快速、准确测量，本实用新型提出了一种基于TDLAS(可谐调半导体激光吸收谱)原理对经过激光照射后从汽车内反射出的极弱激光信号进行探测来确定被照射车辆内部酒精气体分子浓度的便携非接触式激光酒精测量装置，从而使车辆正常行驶的情况下完成对车辆内部酒精分子浓度的测定。

本实用新型采用的技术解决方案如下：

本实用新型提供了一种便携非接触式激光酒精测量装置，其基本结构包括DSP处理电路，TDLAS驱动和调制电路，半导体激光器，光学系统，光电探测器，低噪声前置放大电路，极弱信号提取电路以及仪器设置输入及数据输出显示屏；

DSP处理电路分别与TDLAS驱动和调制电路、极弱信号提取电路以及仪器设置输入及数据输出显示屏电连接；

TDLAS驱动和调制电路激发半导体激光器发出出射激光，出射激光通过光学系统后照向待测量车辆内部；光学系统接收待测量车辆内部反射的微弱激光信号并将其会聚于光电探测器靶面上；

光电探测器通过低噪声前置放大电路与极弱信号提取电路电连接。

在另一种优化的实施例中，还包括低照度高灵敏度摄像装置；所述低照度高灵敏度摄像装置与DSP处理电路电连接用于拍摄待测量车辆的图像；低照度高灵敏度摄像装置在0.003Lux@F1.2的条件下具有不小于30dB的信噪比。

为了增加后续数据的可追溯性，该装置还包括数据存储电路；所述数据存储电路与DSP数据处理电路电连接。

具体的说，所述光学系统采用抛物线集光器形式。

具体来说，所述光学系统与待测量车辆的最远水平距离为100m。

具体的说，所述低噪声前置放大电路在增益10⁶条件下的噪声低至1mV_rms以下。

本实用新型的优点在于：

1、本实用新型不需要驾驶员停车，只需要交警执法人员手持该设备对准远处正在行驶的车辆，若无异常，该车辆便可正常通行，从而提高了检测效率，不会引起道路拥堵.

2、本实用新型采用TDLAS驱动和调制电路，发光波长调制稳定，不会受温度、湿度等外界环境变化而受影响。

3、本实用新型是利用光谱吸收原理，对于特定物质来说吸收峰是一定的，不会受其它物质的掺杂而影响测量结果。

4、本实用新型采用相关性处理法，能够很好地将杂光噪声进行抑制从而获得较高的信噪比，保证了测量精度。

5、本实用新型为便携式仪器，能够手持该仪器或将该仪器架设在路边使用。

6、本实用新型使用方便直观，使用人员可根据图像、数据和颜色快速判断检测结果；

7、本实用新型附加了低照度高灵敏度摄像装置，能够较暗的环境下对目标车辆进行图像拍摄。

8、本实用新型的DSP处理电路能够控制附加的低照度高灵敏度摄像装置自动调节焦距、光圈、曝光时间和增益，不需要手动调节。

9、本实用新型能够将现场的图像数据和测量数据保存，方便事后查看。

10、本实用新型检测速度快，检测时间小于0.1s，能够实现高车速为100km/h的车辆内酒精分子浓度的检测。

11、本实用新型不再使用传统吹气法测量驾驶员呼出气体的酒精含量，安全卫生。

12、本实用新型采用非接触方法，最远测试距离为100m，默认测量距离为20m；

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构简图。

图2为本实用新型实施例2的结构简图。

附图标记如下：

1-DSP处理电路、2-TDLAS驱动和调制电路、3-半导体激光器、 4-光学系统、5-光电探测器、6-低噪声前置放大电路、7-极弱信号提取电路、8-低照度高灵敏度摄像装置、9-仪器设置输入及数据输出显示屏。

具体实施方式

下面通过两个实施例对本实用新型的装置和方法进行介绍：

实施例1：

如图1所示，本实用新型由DSP处理电路1，TDLAS驱动和调制电路2，半导体激光器3，光学系统4，光电探测器5，低噪声前置放大电路6，极弱信号提取电路7，仪器设置输入及数据输出显示屏9 和数据存储电路组成。

装置具体的结构是：

DSP处理电路1分别与TDLAS驱动和调制电路2、极弱信号提取电路7以及仪器设置输入及数据输出显示屏9电连接；

TDLAS驱动和调制电路2激发半导体激光器3发出出射激光，出射激光通过光学系统后照向待测量车辆内部；光学系统4接收待测量车辆内部反射的微弱激光信号并将其会聚于光电探测器5靶面上；

光电探测器5通过低噪声前置放大电路6与极弱信号提取电路7 电连接；

数据存储电路与DSP处理电路1电连接。

需要特别说明的是：

所述光学系统采用抛物线集光器形式。

光学系统与待测量车辆的最远水平距离为100m。

低噪声前置放大电路在增益10⁶条件下的噪声低至1mV_rms以下。

根据上述对装置结构的描述，现对其具体工作过程描述如下：

1)标定曲线的拟合

该装置在设计阶段，需要对装置的探测动态范围、线性度等参数进行标定，即对经过谐调激光(能量和调制方式与正式产品一致)照射不同浓度(线性改变)的酒精气体与装置中极弱信号提取电路输出的信号幅值建立函数关系并拟合曲线，将该函数和曲线存储于DSP处理电路中；

2)通过仪器设置输入及数据输出显示屏9调节测试距离(距离最大100m)和酒精分子浓度报警阈值，设置内容会传输给DSP处理电路1；

3)DSP处理电路1根据设置内容，控制TDLAS驱动和调制电路2 调整驱动电流和调制频率，并将调制信号送至极弱信号提取电路7；

4)TDLAS驱动和调制电路2在DSP处理电路1的控制下输出调频电流信号，电流为非恒定值，在调制信号上升沿为线性扫描上升，在调制信号下降沿快速下降到零；

5)半导体激光器3在TDLAS驱动和调制电路2输出的调频电流信号下受激发射频率一定但波长随着驱动电流变化的激光；

6)光学系统4将半导体激光器3发射的激光进行整形和扩束，并透过远处行驶车辆的挡风玻璃照向车辆内部；

7)发射的激光为调谐型，其中一个波段会在酒精气体分子中被吸收，光学系统4同时收集空间反射回来的微弱激光信号并会聚于光电探测器5的靶面上；

8)光电探测器5在微弱激光信号的照射下产生极微弱的电流信号，该电流信号含有发射的调制信息，也含有发射激光某一个波段的被吸收情况；

9)低噪声前置放大电路6对光电探测器5输出的微弱电流信号进行低噪声放大并转换为电压信号，在增益10⁶条件下的噪声低至 1mV_rms以下；

10)极弱信号提取电路7结合DSP处理电路1输出的调制频率对低噪声前置放大电路6输出的电压信号进行相关性处理(相关性处理为锁相放大法或者相关取样积分法等等)，完成对极弱信号的提取和杂光信号的抑制；

11)DSP处理电路接收极弱信号提取电路提取的极弱信号并与所述步骤1)的标定曲线进行逼近和比对，得出出射激光被吸收能量的幅值，并根据朗伯—比尔定律反演出被照射车辆内部的酒精气体分子浓度；

12)DSP处理电路1将测算出的车内酒精分子浓度值传输至仪器设置输入及数据输出显示屏9进行显示，方便交警执法人员的快速判断；

当测量数据超过设定阈值时，仪器设置输入及数据输出显示屏9 会以声光报警方式告知使用人员；

13)必要时，使用人员按下仪器设置输入及数据输出显示屏9的数据保存按键；

当DSP数据处理电路1接收到来自仪器设置输入及数据输出显示屏9的数据保存指令时，将该车辆的图像数据和酒精分子浓度数据保存于数据存储电路，方便事后查看。

为了便于执法人员能够准确获悉车辆车牌信息和驾驶员人脸信息，本实用新型还提供优化方案，具体如下：

实施例2：

如图2所示，本实用新型由DSP处理电路1，TDLAS驱动和调制电路2，半导体激光器3，光学系统4，光电探测器5，低噪声前置放大电路6，极弱信号提取电路7，低照度高灵敏度摄像装置8，仪器设置输入及数据输出显示屏9和数据存储电路组成。

装置具体的结构是：

DSP处理电路1分别与TDLAS驱动和调制电路2、低照度高灵敏度摄像装置8、极弱信号提取电路7以及仪器设置输入及数据输出显示屏9电连接；

TDLAS驱动和调制电路2激发半导体激光器3发出出射激光，出射激光通过光学系统后照向待测量车辆内部；光学系统4接收待测量车辆内部反射的微弱激光信号并将其会聚于光电探测器5靶面上；

光电探测器5通过低噪声前置放大电路6与极弱信号提取电路7 电连接；

数据存储电路与DSP处理电路1电连接。

需要特别说明的是：

光学系统采用抛物线集光器形式。

光学系统与待测量车辆的最远水平距离为100m。

低噪声前置放大电路在增益10⁶条件下的噪声低至1mV_rms以下。

低照度高灵敏度摄像装置用于拍摄待测量车辆的图像；低照度高灵敏度摄像装置在0.003Lux@F1.2的条件下具有不小于30dB的信噪比，使得图像中能够清晰分辨物体轮廓。

根据上述对装置结构的描述，现对其具体工作过程描述如下：

1)标定曲线的拟合

该装置在设计阶段，需要对装置的探测动态范围、线性度等参数进行标定，即对经过谐调激光(能量和调制方式与正式产品一致)照射不同浓度(线性改变)的酒精气体与装置中极弱信号提取电路输出的信号幅值建立函数关系并拟合曲线，将该函数和曲线存储于DSP处理电路中；

2)通过仪器设置输入及数据输出显示屏9调节测试距离(距离最大100m)和酒精分子浓度报警阈值，设置内容会传输给DSP处理电路1；

3)DSP处理电路1根据设置内容，首先控制低照度高灵敏度摄像装置8自动调节焦距、光圈、曝光时间和增益，使得在需要测试距离所拍摄图像信噪比达到30dB以上，并能够清晰分辨物体轮廓，然后将图像回传给仪器设置输入及数据输出显示屏9进行显示；同时控制TDLAS驱动和调制电路2调整驱动电流和调制频率，并将调制信号送至极弱信号提取电路7；

4)TDLAS驱动和调制电路2在DSP处理电路1的控制下输出调频电流信号，电流为非恒定值，在调制信号上升沿为线性扫描上升，在调制信号下降沿快速下降到零；

5)半导体激光器3在TDLAS驱动和调制电路2输出的调频电流信号下受激发射频率一定但波长随着驱动电流变化的激光；

6)光学系统4将半导体激光器3发射的激光进行整形和扩束，并透过远处行驶车辆的挡风玻璃照向车辆内部；

7)发射的激光为调谐型，其中一个波段会在酒精气体分子中被吸收，光学系统4同时收集空间反射回来的微弱激光信号并会聚于光电探测器5的靶面上；

8)光电探测器5在微弱激光信号的照射下产生极微弱的电流信号，该电流信号含有发射的调制信息，也含有发射激光某一个波段的被吸收情况；

9)低噪声前置放大电路6对光电探测器5输出的微弱电流信号进行低噪声放大并转换为电压信号，在增益10⁶条件下的噪声低至 1mV_rms以下；

10)极弱信号提取电路7结合DSP处理电路1输出的调制频率对低噪声前置放大电路6输出的电压信号进行相关性处理(相关性处理为锁相放大法或者相关取样积分法等等)，完成对极弱信号的提取和杂光信号的抑制；

11)DSP处理电路1接收极弱信号提取电路提取的极弱信号并与所述步骤1)的标定曲线进行逼近和比对，得出出射激光被吸收能量的幅值，并根据朗伯—比尔定律反演出被照射车辆内部的酒精气体分子浓度；

12)DSP处理电路1将测算出的车内酒精分子浓度值与低照度高灵敏度摄像装置8拍摄的图像数据进行融合，并传输至仪器设置输入及数据输出显示屏9进行显示，显示的内容包含车辆和驾驶员的图像信息、该车辆内部的酒精分子浓度值和用颜色标识的含量进度条，方便交警执法人员的快速判断；当测量数据超过设定阈值时，仪器设置输入及数据输出显示屏9会以声光报警方式告知使用人员；

13)必要时，使用人员按下仪器设置输入及数据输出显示屏9的数据保存按键；

当DSP数据处理电路1接收到来自仪器设置输入及数据输出显示屏9的数据保存指令时，将该车辆的图像数据和酒精分子浓度数据保存于数据存储电路，方便事后查看。