一种基于图像分析的激发荧光过氧化物检测装置的制作方法

本实用新型涉及危险爆炸物检测领域，具体涉及一种基于图像分析的激发荧光过氧化物检测装置。

背景技术：

随着新型爆炸物的出现以及应用，反恐的压力也越来越大，同时对公共场所的安防系统提出了很大的挑战。而新型的过氧化物爆炸物因为其自身特点很难做到非接触式检测。

针对这一现象对近年来多种爆炸物检测技术进行调研分析，发现现有产品的主要技术特点如下：

(1)离子迁移谱技术，代表产品有美国smithionscan系列产品。基于气相离子在弱电场中的迁移率来检测识别不同种类物质，是一种常压分析化学方法。该技术适合痕量检测，适用范围广，使用方便；但需要放射性物质进行电离，预热时间长，且价格昂贵。

(2)化学比色技术，代表产品有以色列identacorp炸药测试卡套装。通过与特定分子混合，进行化学反应获得不同的色谱进行分析。该技术响应速度快，可进行毒、炸双模分析；但对未知物需要进行多次排查，采样量较高。

(3)拉曼光谱技术，代表产品有美国b&wteknanoram系列。通过对780nm以上的激光光源照射产生的衍射回波与已知的检测物存储回波数据库对比进行分析。该技术误报率低，适用范围广，可检测大部分化学品；但激光光源能量密度高，极易点燃黑色引爆药，且被检测物需要达到克级，无法做到痕量检测。

(4)荧光淬灭技术，代表产品有美国filrfido系列。原理为根据某些涂在碳硅纳米管紫外线照射的荧光共轭聚合物针对爆炸物的特定基团(如硝基)发生淬灭荧光作用，通过对辐射出的光线的频率进行定性识别。该技术响应速度极快，可做到纳克到皮克级痕量检测；但对非硝基爆炸物检测效果不佳，且价格昂贵。

因此，通过研究一种新型的检测方法，实现快速痕量检测，对于保护国家安全以及人民生命财产安全具有十分重大的意义。

技术实现要素：

为能够对过氧化物爆炸物进行快速、便捷、准确的检测，本实用新型提供一种基于图像分析的激发荧光过氧化物检测装置。

本实用新型的基于图像分析的激发荧光检测装置包括：检测晶片承载装置、箱体、箱体盖、进气装置、排气装置、进气管路、排气管路、气泵、激发光源、图像采集装置和图像处理电路；其中，箱体为内部中空的壳体；在箱体的顶部设置有箱体盖；在箱体的前壁上开设有安装通孔，检测晶片承载装置通过安装通孔放置在箱体内；检测晶片放置在检测晶片承载装置上；在箱体的一个侧壁上开设有进气通孔，进气装置通过进气通孔从箱体外伸入至箱体内，在箱体外进气管路连接进气装置；在箱体的与进气通孔相对的侧壁上开设有排气通孔，排气装置通过排气通孔从箱体内伸出至箱体外；排气装置通过排气管路连接至气泵；在箱体盖的内表面设置有激发光源；在箱体盖上设置有通光窗口；图像采集装置通过通光窗口正对箱体内的检测晶片；图像采集装置连接至图像处理电路。

激发荧光检测装置具有擦拭模式和吸附模式；在检测前，气泵经排气管路通过排气装置对箱体内进行清洁，激发光源发出激励光照射在检测晶片上，图像采集装置拍摄检测晶片的图像，并传输至图像处理电路，通过处理图像得到r、g和b的空白参考灰度平均值；在擦拭模式下，待测物质滴附在检测晶片表面，检测晶片通过检测晶片承载装置放置在箱体；在吸附模式下，气泵经排气管路通过排气装置对箱体内形成负压，待测物质经进气管路通过进气装置输送至箱体内的检测晶片上；激发光源发出激励光照射在检测晶片上，待测物质与检测晶片发生反应，激励光照射后产生荧光，图像采集装置拍摄检测晶片的图像，并传输至图像处理电路，通过处理图像得到r、g和b的待测物质灰度平均值，分别与r、g和b的空白参考灰度平均值进行比较，得到r、g和b的待测物质差值，并与r、g和b的检测限相比较，判断是否为过氧化物。

检测晶片承载装置包括：挡板、密封板、承载板以及把手；其中，垂直的挡板的外表面安装有把手；挡板的内表面中心安装有水平的承载板；在挡板的内表面且位于承载板的周围设置有密封板；在承载板的上表面设置有承载凹槽；检测晶片放置在承载凹槽上。

开设在箱体的前壁的安装通孔包括：安装槽和密封板通孔；其中，在箱体的前壁设置有与检测晶片承载装置的挡板相匹配的安装槽，在安装槽的中心开设有密封板通孔，密封板通孔与密封板相匹配，在吸附模式下，保证箱体的气密性；并且在箱体的两个内侧壁，分别设置有与承载板相匹配的水平的滑槽，承载板通过密封板通孔沿着滑槽伸入至箱体内。

进气装置为输送气体的管道，内部中空，外壁的后部具有多个圆台形凸台，伸入至箱体内的前部为弯管结构，以保证气态的待检测物质通过弯管输送至检测晶片上；通过圆台形凸台连接进气管路，圆台形凸台能够防止进气管路脱落。

排气装置为输送气体的管道，内部中空，外壁的前部具有多个圆台形凸台，为直管结构，通过圆台形凸台连接排气管路，排气管路连接至气泵，圆台形凸台能够防止排气管路脱落。进气管路和排气管路为输送气体的软管。进气装置和排气装置与箱体之间密封。采用吸附模式时，气泵打开，箱体内为负压，待测物质位于进气管路的入口，经由进气管路通过进气装置吸入至箱体内的检测晶片。

箱体盖与箱体相匹配，保证箱体在吸附模式下的密封性；中间具有通光通孔，在通光通孔上设置有高透玻璃从而构成通光窗口；图像采集装置与通光窗口同轴密封安装，保证图像采集装置能够正对着检测晶片。激发光源通过箱体盖四周的小孔密封安装在箱体盖内，使得激发光能够照在检测晶片上。

待测物质为液态时采用擦拭模式；待测物质为气态或易挥发液态或固态时采用吸附模式。

图像采集装置采用ccd工业级相机。

检测晶片采用将c6nib溶液滴在铝箔基硅胶板上，c6nib与过氧化物反应后，在激发光照射在下产生荧光。激发光波长为365nm±10nm或者458±10nm。

c6nib的化学式如下：

2-hexyl-6-(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolan-2-yl)-1h-benzo-[de]isoquinoline-1,3(2h)-dione

c6nib的结构式如下：

本实用新型的优点：

本实用新型的装置结构简单，可实现过氧化物的快速检测；只需要采用ccd工业级相机拍摄，然后图像进行处理，对检测待测物质前后检测晶片的变化，即可判断是否为过氧化物；本实用新型的方法思路简洁明了；能够实现快速检测；能够实现痕量检测。

附图说明

图1为本实用新型的基于图像分析的激发荧光过氧化物检测装置的一个实施例的外部示意图，其中，(a)为外部示意图，(b)为外部透视图；

图2为本装置的本实用新型的基于图像分析的激发荧光过氧化物检测装置的一个实施例的箱体的内部结构图；

图3为本装置的本实用新型的基于图像分析的激发荧光过氧化物检测装置的一个实施例的检测晶片承载装置的示意图；

图4为本装置的本实用新型的基于图像分析的激发荧光过氧化物检测装置的一个实施例的进气装置的示意图；

图5为本装置的本实用新型的基于图像分析的激发荧光过氧化物检测装置的一个实施例的排气装置的示意图；

图6为本装置的本实用新型的基于图像分析的激发荧光过氧化物检测装置的一个实施例的箱体盖的示意图；

图7为本实用新型的基于图像分析的激发荧光过氧化物检测装置的检测方法的标定流程图；

图8为本实用新型的基于图像分析的激发荧光过氧化物检测装置的检测方法的检测流程图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本实用新型。

如图1所示，本实施例的基于图像分析的激发荧光检测装置包括：检测晶片承载装置6、箱体5、箱体盖3、进气装置1、排气装置4、进气管路、排气管路、气泵、激发光源、图像采集装置2和图像处理电路；其中，箱体5内部中空的壳体；在箱体5的顶部设置有箱体盖3；在箱体5的前壁上开设有安装通孔，检测晶片承载装置6通过安装通孔放置在箱体5内；检测晶片放置在检测晶片承载装置6；在箱体5的一个侧壁上开设有进气通孔13，进气装置1通过进气通孔从箱体5外伸入至箱体5内，在箱体外进气管路连接进气装置；在箱体5的与进气通孔相对的侧壁上开设有排气通孔14，排气装置4通过排气通孔从箱体5内伸出至箱体5外；排气装置4通过排气管路连接至气泵；在箱体盖3的内表面设置有激发光源；在箱体盖3上设置有通光窗口；图像采集装置2通过通光窗口正对箱体5内的检测晶片；图像采集装置2连接至图像处理电路。

如图2所示，开设在箱体的前壁的安装通孔包括安装槽10和密封板通孔11；其中，安装槽与检测晶片承载装置的挡板相匹配，在安装槽的中心开设有密封板通孔，密封板通孔与密封板相匹配；并且在箱体的两个内侧壁，分别设置有与承载板相匹配的滑槽12，承载板通过密封板通孔沿着滑槽伸入至箱体内。在箱体5的一个侧壁上开设有进气通孔13，在箱体5的与进气通孔相对的侧壁上开设有排气通孔14。

如图3所示，检测晶片承载装置包括：挡板7、密封板8、承载板9以及把手10；其中，垂直的挡板7的外表面安装有把手10；挡板7的内表面中心安装有水平的承载板9；在挡板7的内表面且位于承载板9的周围设置有密封板8；在承载板9的上表面设置有承载凹槽；检测晶片放置在承载凹槽上。

如图4所示，进气装置为输送气体的管道，内部中空，外壁的后部具有多个圆台形凸台，伸入至箱体内的前部为弯管结构，以保证气态的待检测物质通过弯管输送至检测晶片上；通过圆台形凸台部分连接进气管路，圆台形凸台能够防止进气管路脱落。

如图5所示，排气装置为输送气体的管道，内部中空，外壁的前部具有多个圆台形凸台，为直管结构，排气装置通过排气管路与气泵相连，圆台形凸台能够防止排气管路脱落。

如图6所示，箱体盖与箱体相匹配；中间具有通光通孔，在通光通孔上设置有高透玻璃从而构成通光窗口；图像采集装置与通光窗口同轴安装，保证图像采集装置能够正对着检测晶片。激发光源通过箱体盖四周的小孔安装在箱体盖内，使得激发光能够照在检测晶片上。本实施例中，激发光为458±10nm。

不同种状态的物质检测前的标定，只需要进行一次，得到r(红)、g(绿)和b(蓝)的检测限，以后对于所有待测物质，都以检测限为基准进行，不需要再进行标定，标定中所用的阈值为认为过氧化物存在的最低限，最低限为液体用100±10ppb过氧化氢溶液进行标定，气态以及易挥发的液态或固态用0.10±0.05mol/l的过氧化氢溶液在常压下所挥发出的饱和蒸汽进行。在本实施例中，标定所用的过氧化物为2μl的100ppb的h2o2乙醇溶液，反复标定三次求平均值，得到的r、g和b的差值检测限分别为38、59和15。

每一次检测完成后，都需要对检测晶片进行更换。

如图7所示，本实施例的基于图像分析的激发荧光过氧化物检测前的标定方法，包括以下步骤：

a)标定参考：

1)458的激发光照射检测晶片上；

2)图像采集装置采集拍摄检测晶片的图像，传输至图像处理电路，得到位图格式的标定参考图像；

3)图像处理电路对标定参考图像进行分割，只保留检测晶片区域部分，得到分割后的标定参考图像；

4)将分割后的标定参考图像进行图像编码压缩，得到压缩后的标定参考图像；

5)对压缩后的标定参考图像进行图像增强和复原处理，以尽可能多的还原出图像中包含的信息，降噪并且提高图像清晰度，得到标定参考高清晰度图像；

6)将标定参考高清晰度图像进行r、g和b色度提取，得到每一个像素点的r、g和b色度矩阵，并对每一个像素点进行灰度化处理，得到每一个像素点的r、g和b的灰度矩阵，从而分离为各个像素点的r、g和b三个通道的灰度值，分别得到各个像素点的r、g和b的标定参考灰度值；

7)分别对所有像素点的r、g和b的标定参考灰度值进行加和求平均，分别得到r、g和b的标定参考灰度平均值；

b)标定过氧化物：

1)将阈值浓度的过氧化物滴加在检测晶片上，这个浓度为判断含有过氧化物的最低标准值，本实施例中的过氧化物为2μl100ppb的h2o2乙醇溶液；

2)458的激发光照射检测晶片上；

3)图像采集装置采集拍摄检测晶片的图像，传输至图像处理电路，得到位图格式的标定过氧化物图像；

4)图像处理电路对标定过氧化物图像进行分割，只保留检测晶片区域部分，得到分割后的标定过氧化物图像；

5)将分割后的标定过氧化物图像进行图像编码压缩，得到压缩后的标定过氧化物图像；

6)对压缩后的标定过氧化物图像进行图像增强和复原处理，以尽可能多的还原出图像中包含的信息，降噪并且提高图像清晰度，得到标定过氧化物高清晰度图像；

7)将标定过氧化物高清晰度图像进行r、g和b色度提取，得到每一个像素点的r、g和b色度矩阵，并对每一个像素点进行灰度化处理，得到每一个像素点的r、g和b的灰度矩阵，从而分离为各个像素点的r、g和b三个通道的灰度值，分别得到各个像素点的r、g和b的标定过氧化物灰度值；

8)分别对所有像素点的r、g和b的标定过氧化物灰度值进行加和求平均，分别得到r、g和b的标定过氧化物灰度平均值；

c)将r、g和b的标定过氧化物灰度平均值分别与r、g和b的标定参考灰度平均值进行比较即相减，得到r、g和b的过氧化物标准差值；

d)更换检测晶片，并且过氧化物的浓度一样，重复步骤a)～c)三次，得到多组r、g和b的过氧化物标准差值，分别进行求和取平均值，作为判断待测物质是否为过氧化物的检测限，分别为38、59和15。

如图8所示，本实施例的基于图像分析的激发荧光过氧化物检测方法，包括以下步骤：

a)得到空白参考：

1)458的激发光照射检测晶片上；

2)图像采集装置采集拍摄检测晶片的图像，传输至图像处理电路，得到位图格式的空白参考图像；

3)图像处理电路对空白参考图像进行分割，只保留检测晶片区域部分，得到分割后的空白参考图像；

4)将分割后的空白参考图像进行图像编码压缩，得到压缩后的空白参考图像；

5)对压缩后的空白参考图像进行图像增强和复原处理，以尽可能多的还原出图像中包含的信息，降噪并且提高图像清晰度，得到空白参考高清晰度图像；

6)将空白参考高清晰度图像进行r、g和b色度提取，得到每一个像素点的r、g和b色度矩阵，并对每一个像素点进行灰度化处理，得到每一个像素点的r、g和b的灰度矩阵，从而分离为各个像素点的r、g和b三个通道的灰度值，分别得到各个像素点的r、g和b的空白参考灰度值；

b)分别对所有像素点的r、g和b的标定参考灰度值进行加和求平均，分别得到r、g和b的空白参考灰度平均值，在本实施例中，得到的r、g和b的空白参考灰度平

均值分别为30、96和185；得到待测物质灰度平均值：

1)将待测物质滴加在检测晶片上，在本实施例中所用的待测物质为2μl的0.5mol/lh2o2溶液；

2)458的激发光照射检测晶片上，待测物质与检测晶片发生反应，产生荧光；

3)图像采集装置采集拍摄检测晶片的图像，传输至图像处理电路，得到位图格式的待测物质图像；

4)图像处理电路对待测物质图像进行分割，只保留检测晶片区域部分，得到分割后的待测物质图像；

5)将分割后的待测物质图像进行图像编码压缩，得到压缩后的待测物质图像；

6)对压缩后的待测物质图像进行图像增强和复原处理，以尽可能多的还原出图像中包含的信息，降噪并且提高图像清晰度，得到待测物质高清晰度图像；

7)将待测物质高清晰度图像进行r、g和b色度提取，得到每一个像素点的r、g和b色度矩阵，并对每一个像素点进行灰度化处理，分别得到每一个像素点的r、g和b的灰度矩阵，从而分离为各个像素点的r、g和b三个通道的灰度值，分别得到各个像素点的r、g和b的待测物质灰度值；

8)分别对所有像素点的r、g和b的待测物质灰度值进行加和求平均，分别得到r、g和b的待测物质灰度平均值，在本实施例中，得到的r、g和b待检测物质的灰度平均值为128、225和222；

c)r、g和b的待测物质灰度平均值分别与r、g和b的空白参考灰度平均值进行比较即相减，得到r、g和b的待测物质差值，在本实施例中，得到的r、g和b待检测物质差值为98、129和37；

d)将r、g和b的待测物质差值与r、g和b的过氧化物标准差值相比较，分别与r、g和b的检测限38、59和15相比较，在本实施例中，r、g和b的待测物质差值均超过r、g和b的检测限，判断待检测物质为过氧化物。

判断标准为：r、g和b的待测物质差值同时超过相应的r、g和b的检测限，判断为过氧化物；其他情况则判断为非过氧化物。

对于不同物态的待测物质，采用相应的标定参考。对于待测物质为气态或者挥发性的液态或者固态，标定参考过氧化物采用气态过氧化物，标定用的过氧化物的阈值浓度为判定过氧化物的最低检测标准为0.10±0.05mol/l过氧化氢溶液在常压下所挥发出的饱和蒸汽，相应的得到气态的检测限，气态或者挥发性的液态或固态的待测物质与气态的检测限进行比对；对于待测物质为液态，标定参考过氧化物采用液态的过氧化物，标定用的过氧化物的阈值浓度为判定为过氧化物的最低浓度标准为100±10ppb过氧化氢溶液，液态的待测物质与液态的检测限进行比对。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。