技术领域
本发明属于公共安全领域，具体涉及一种基于拉曼光谱的便携式微量毒品和爆炸物检测器
背景技术
毒品、易制毒品、有毒化学品、危险爆炸物等对人民群众的危害日益严重，也制约了我国经济社会的稳定、人民的健康。传统的毒品和爆炸物检测技术，如离子迁移谱、液相色谱法和气相色谱法等，需要对待测样品进行处理，且检测时间长设备大无法做到现场检测识别，因此急需一种能够便携实时检测现场毒品和爆炸物的检测仪。
拉曼光谱技术是目前新型的物质成分分析技术，在毒品和爆炸物检测领域具有极大的应用场景，拉曼光谱技术则是利用拉曼散射原理，结合分光光路得到散射光中的拉曼光谱信息，由于物质的拉曼光谱由物质的分子信息决定，因此拉曼光谱又被称为“分子指纹”，同时拉曼检测方法具有实时、快速、准确、非接触式、无损、样品量小、样品无需预处理、不受水溶剂干扰等一系列优点，因此非常适合于现场毒品稽查、爆炸物检测领域的应用。
传统的拉曼检测系统结构复杂，组成部分较多包括样品池、拉曼探头、拉曼光谱仪和移动电脑终端等，无法做到现场快速、实时的筛查，便携性较差，且光纤连接等方式不便于强度较低的拉曼散射光的采集，因此本发明针通过优化结构，采用一体式设计配合，满足现场便携式实时测量的需求，同时结合表面增强拉曼基底，对微量毒品和爆炸物进行检测。
发明内容
为了克服当前毒品和爆炸物检测仪器设备复杂，无法实时检测，同时传统拉曼光谱检测仪器光路复杂，设备较大，便携性差不利于现场实时测量的问题，本发明提出一种基于拉曼光谱的便携式微量毒品和爆炸物检测仪，该检测仪光路结构简单，体积较小便携性好，便于现场实时测量微量毒品和爆炸物。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于拉曼光谱的便携式微量毒品和爆炸物检测仪，包括检测光路、制冷模块、控制模块、显示交互模块、电源模块和表面增强拉曼基底；其中，检测光路是整个系统的采集记录核心，所述检测光路包括：
近红外光源装置，用于提供拉曼散射所需要的光源；
激发收集光路，用于将近红外光源装置发出的光线入射到样品并收集样品所散射的拉曼散射光；
分光光路，用于对激发收集光路所收集到的光线进行分光，从而得到样品的拉曼散射光谱。
所述制冷模块用于对检测光路中近红外光源装置以及分光光路中的线阵CCD图像传感器进行制冷，消除器件自身产热对测量结果的影响；
所述控制模块是整个检测器的处理核心，包括：
CCD驱动D图像传感器进行驱动控制并配合记录拉曼光谱数据，同时与处理器直接连接，将获得的拉曼光谱数据传输给处理器；
处理器，用于将获得的拉曼光谱数据进行噪声消除和基线校正后得到样品的拉曼散射光谱，然后通过高清多媒体接口发送器将拉曼光谱数据显示到显示交互模块。
所述显示交互模块是整个检测仪的交互核心，显示交互模块可以通过USB串行通信总线与处理器交互，根据用户需求，处理器对仪器进行控制，实现整个仪器与用户的交互。
本发明整体探测器采用紧凑式设计，检测光路与分光光路直接连接，降低了传统检测系统或仪器的光纤损耗，同时通过拉曼光谱技术可以对包括毒品和爆炸物进行检测，而不是传统仪器单一的检测范围，配合表面增强拉曼基底实现对微量毒品和爆炸物的检测，且紧凑式的设计提高了本仪器的便携性，便于现场实时测量。
进一步，所述检测光路部分中，所述近红外光源装置包括半导体激光器、集成TEC制冷模块和光源驱动模块，能够产生高稳定性高单色性的785nm激光，选用785nm波长能够便于抑制样品荧光。
激发收集光路包括用于光源准直的准直透镜；用于保证入射光单色性的窄带通滤光片；长波通二向色镜，具有特殊设计的介质多层膜，能够实现在45度入射角的情况下，对近红外光源装置产生的785nm激光反射而对样品散射的光线透射；聚焦采集透镜，将入射光聚焦到样品上同时将样品产生的散射光进行汇聚；高通滤光片，对聚焦采集透镜采集到的光线进行滤光，包括环境光、荧光、瑞利散射；汇聚透镜：将滤光后的光线进行汇聚，使得足够光强的光线进入分光光路。当出现需要对液体进行拉曼光采集时，可以通过在聚焦采集透镜后添加样品液池和反射镜实现对液体样品的测量。
分光光路，用于对光线进行分光得到光线中不同波长的光谱信息，包括：狭缝，分光光路的光线入口；凹面准直反射镜，用于对入射光进行准直，使得光线能够平行的入射到平面刻划衍射光栅表面，光栅分光后的光线经过凹面聚焦反射镜，进行聚焦，最终成像到线阵CCD图像传感器。
进一步，所述的分光光路采用交叉非对称式Czerny-Turner结构，其中采用的平面刻划衍射光栅选用1200线/毫米，闪耀波长为750nm的光栅，同时在光栅衍射级次的选择上，选择一级衍射，能够有效对近红外波段的拉曼散射光进行分光的同时有效消除零级衍射的影响；在大大减小了分光光路的体积的情况下实现对杂散光的有效抑制，实现了整体检测器的便携式设计。
所述的狭缝用于限制进入分光光路的光线入瞳孔径，可以通过更换尺寸调整进入分光光路的光线强度，包括25um和50um圆形孔径狭缝。
所述的凹面准直反射镜和凹面聚焦反射镜采用保护银膜，对于近红外波段具有95％以上的反射效率，减小光线在分光光路中的损耗。
所述的线阵CCD图像传感器，型号为滨松的一款近红外增强CCD，采用背照式结构，像素数量为2048，同时像元大小为14*1000μm，减小电子原件对光线的散射吸收，同时高像元深度提高对拉曼特征峰的识别。
所述的线阵CCD图像传感器，使用的CCD驱动电路采用REF5010参考电平芯片将基准电压VSS提高10V的方式简化线阵CCD图像传感器的偏置电压电路设计。采用TPS61175-Q1将电源输入提高到24V作为输出晶体管漏极电压、复位漏极电压、全部复位漏极电压和水平输入源极电压，并通过TPS7A16将24V降压到11V作为输出运放返回电压，通过TPS7A16转换为13.5V作为输出门电压和存储门电压，CCD图像传感器输出通过高速模数转换芯片AD9826进行采样，在ZYNQ模块提供的时序驱动下，线阵CCD图像传感器输出的模拟信号转换为数字信号并以LVDS的形式传送给ZYNQ模块。
所述的制冷模块部分中，采用热电冷却控制器ADN8835对CCD图像传感器和近红外光源装置中的集成TEC制冷模块进行模拟PID控制，使得近红外光源装置和CCD图像传感器能够始终保持较好的工作环境，减小对拉曼光谱采集的影响。
所述的控制模块部分中，采用ZEDBOARD公司的ZYNQ模块作为处理器，DDR3模块数据缓存模块与ZYNQ模块直接连接，为ZYNQ模块提供数据缓存功能；千兆网口用于连接电脑终端时拉曼光谱数据的快速传输，USB3.0数据传输模块，用于和显示交互模块的连接以及与电脑等终端的连接，FLASH模块作为存储核心，用于保存仪器的初始参数和用于匹配的毒品和爆炸物的拉曼光谱信息。
所述的显示交互模块部分中，采用高清多媒体接口HDMI与ZYNQ模块进行连接，通过高清触摸显示屏显示由ZYNQ模块发送的视频信息，并通过USB接口与ZYNQ模块连接，传输用户的操作信息。
所述的电源模块中，采用12V直流输出可充电电池作为便携式毒品和爆炸物检测系统的供电模块，通过电源供电模块将电压降压成不同模块所需的多种电压，包括5V、7V、12V。
所述的表面增强拉曼基底，通过金银等纳米粒子对微量毒品和爆炸物进行拉曼光谱增强，实现对微量毒品和爆炸物的检测。
本发明对于原始拉曼光谱进行滤波和基线校正后采用一种基于拉曼特征峰偏移量匹配的方法，已知数据库内存有毒品和爆炸物的拉曼光谱图包括特征峰λ
F＝α(I-I
其中，α为强度匹配权重，β为波长匹配权重，LOSS为无效测量判断。
本发明提出一种基于拉曼光谱的便携式微量毒品和爆炸物检测仪，采用近红外光源装置作为光源，利用二向色镜实现拉曼光的激发与采集，改良的交叉式Czerny-Turner结构作为分光光路对激发光进行分光，线阵CCD图像传感器对光谱进行采集，ZYNQ处理器平台提供时序驱动，光谱处理计算匹配，显示交互，表面增强拉曼基底帮助实现微量物质检测，光路结构简单，一体式的设计减小体积，便于携带，能够很好的满足现场实时毒品和爆炸物检测的需要。该仪器无需与计算机(PC)进行控制，利用嵌入式平台自己的计算平台和显示平台去完成拉曼光谱的计算和显示，实现真正的便携式拉曼微量毒品和爆炸物检测仪器。
与现有技术对比，本发明有以下有益效果：
1、光路结构优化，与传统的光纤连接各部分光路相比，本发明通过直接连接的方式对光路进行设计，在占用体积较大的分光光路部分，通过交叉式Czerny-Turner结构进行体积的缩小，在光栅处通过角度设计选用一级衍射，在保证衍射强度的同时，能够有效的对零级衍射进行抑制，整体体积减小的情况下，杂散光的抑制和分辨率得到提高。
2、分辨率精度高，采用的线阵CCD传感器使用滨松公司的近红外增强型线阵CCD，型号为S13256，具备2048个像素点，像素尺寸12x1000μm，表示一条拉曼光谱线可用2048个点来描绘，且像元大小使得承载的光强更强，使得拉曼特征峰更加明显，且该线阵CCD在近红外区域量子效率更高，使得图像分辨率也更高。模数转换器采样精度为14位，同时数字信号以LVDS形式传输，噪声更小。
3、便携性高，同时一体化的设计使得本发明摆脱传统拉曼检测平台对于计算机(PC)的依赖，便于携带，能够实时的进行检测。本发明采用近红外光源装置、激发收集光路、分光光路配合ZYNQ模块实现，结构简单，元器件普遍，价格实惠，拉曼检测效果好，有利于拉曼光谱技术在毒品和爆炸物检测等公共安全领域的推广。
附图说明
图1是基于拉曼光谱的便携式微量毒品和爆炸物检测仪光路图。
图2是基于拉曼光谱的便携式微量毒品和爆炸物检测仪整体结构示意图。
图3是基于拉曼光谱的便携式微量毒品和爆炸物检测仪系统流程图。
图4是控制系统电路系统设计图。
具体实施方式
下面结合附图进行更进一步的详细说明。
参照图1～图4，一种基于拉曼光谱的便携式微量毒品和爆炸物检测仪，包括检测光路1000、制冷模块2000、控制模块3000、显示交互模块4000、电源模块5000和表面增强拉曼基底6000；其中，所述检测光路1000包括：
近红外光源装置1100，用于提供拉曼散射所需要的光源；
激发收集光路1200，用于将近红外光源装置发出的光线入射到样品并收集样品所散射的拉曼散射光；
分光光路1300，用于对激发收集光路所收集到的光线进行分光，从而得到样品的拉曼散射光谱；
所述制冷模块2000用于对检测光路1000中近红外光源装置1100以及分光光路1300中的线阵CCD图像传感器1305进行制冷，消除器件自身产热对测量结果的影响；
所述控制模块3000包括：
CCD驱动模块3002，用于对CCD图像传感器1305进行驱动控制并配合记录拉曼光谱数据，同时与处理器3001直接连接，将获得的拉曼光谱数据传输给处理器3001；
处理器3001，用于将获得的拉曼光谱数据进行噪声消除和基线校正后得到样品的拉曼散射光谱，然后通过高清多媒体接口发送器3005将拉曼光谱数据显示到显示交互模块4000；
所述显示交互模块4000通过USB串行通信总线与处理器3001交互，根据用户需求，处理器3001对仪器进行控制，实现整个仪器与用户的交互。
所述检测光路1000中，所述近红外光源装置1100包括：半导体激光器1101、集成TEC制冷模块1102和光源驱动模块1103，能够产生高稳定性高单色性的785nm激光，选用785nm波长能够便于抑制样品荧光；
所述激发收集光路1200包括用于光源准直的准直透镜1201；用于保证入射光单色性的窄带通滤光片1202；长波通二向色镜1203，具有介质多层膜，能够实现在45度入射角的情况下，对近红外光源装置产生的785nm激光反射而对样品散射的光线透射；聚焦采集透镜1204，将入射光聚焦到样品上同时将样品产生的散射光进行汇聚；高通滤光片1205，对聚焦采集透镜1204采集到的光线进行滤光，包括环境光、荧光、瑞利散射；汇聚透镜1206：将滤光后的光线进行汇聚，使得足够光强的光线进入分光光路1300。当出现需要对液体进行拉曼光采集时，可以通过在聚焦采集透镜1204后添加样品液池1207和反射镜1208实现对液体样品的测量；
所述分光光路1300包括狭缝1301，分光光路的光线入口；凹面准直反射镜1302，用于对入射光进行准直，使得光线能够平行的入射到平面刻划衍射光栅1303表面，光栅分光后的光线经过凹面聚焦反射镜1304，进行聚焦，最终成像到线阵CCD图像传感器1305，同时所述的凹面准直反射镜1302和凹面聚焦反射镜1304采用保护银膜，对于近红外波段具有95％以上的反射效率，减小光线在分光光路中的损耗。
所述的分光光路1300采用改良的交叉式Czerny-Turner结构，其中采用的平面刻划衍射光栅1303选用1200线/毫米，闪耀波长为750nm的光栅，同时在光栅衍射级次的选择上，选择一级衍射，得到对应的衍射角，通过调整入射角，在能够有效对近红外波段的拉曼散射光进行分光的同时有效消除零级衍射的影响。
所述的狭缝1301用于限制进入分光光路的光线入瞳孔径，可以通过更换尺寸调整进入分光光路的光线强度，包括25um和50um圆形孔径狭缝。
所述的线阵CCD图像传感器1305采用背照式CCD结构，具有2048个像元，同时像元大小为14*1000um，能够减小电子原件对光线的散射吸收，高数量像元提高拉曼光谱的分辨率，高像元深度提高对拉曼特征峰的识别。
所述的制冷模块2000部分中，采用热电冷却控制器ADN8835对线阵CCD图像传感器1305和近红外光源装置1100进行温度采集，并通过在线阵CCD图像传感器1305和近红外光源装置1100中的TEC制冷模块1102进行电流控制，调节模式采用模拟PID控制，使得近红外光源装置和CCD图像传感器能够始终保持较好的工作环境，减小对拉曼光谱采集的影响。
所述的控制模块3000部分中，采用ZEDBOARD公司的ZYNQ模块3001作为控制核心，DDR3模块3002数据缓存模块于ZYNQ模块直接连接，为ZYNQ模块提供数据缓存功能；千兆网口3003用于连接电脑终端时对拉曼光谱数据的快速传输，USB3.0数据传输模块3004，用于和显示交互模块的连接以及与电脑等终端的连接，FLASH存储模块3005作为存储核心，用于保存仪器的初始参数和用于匹配的毒品和爆炸物的拉曼光谱信息。
所述的显示交互模块4000部分中，采用高清多媒体接口与ZYNQ模块3001进行连接，通过高清触摸显示屏4001显示由ZYNQ模块3001发送的视频信息，并通过USB接口与ZYNQ模块连接，传输用户的操作信息。
所述的表面0增强拉曼基底6000，通过金银纳米粒子对微量毒品和爆炸物进行拉曼光谱增强，能够对100ppm的毒品和爆炸物进行识别，实现对微量毒品和爆炸物的检测。
图1给出本发明的拉曼光谱光路图，光路(1000)的组成结构主要包括近红外光源装置(1100)、激发收集光路(1200)和分光光路(1300)，光路的光线流程主要为：
近红外光源装置(1100)中的激光器(1101)发出785nm近红外激光，近红外激光经过准直透镜(1201)准直和窄带通滤光片(1202)后在二向色镜(1203)发生反射，反射后光线经过聚焦采集透镜(1204)聚焦在样品表面，样品发出的拉曼散射光由聚焦采集透镜(1204)采集后，在二向色镜(1203)发生透射，透射后光线经过高通滤光片滤除激发光、荧光和环境光后通过汇聚透镜(1206)进行汇聚，光线汇聚后从狭缝(1301)进入分光光路(1300)，光线通过凹面准直反射镜(1302)进行准直后入射到衍射光栅(1303)，不同波长的光线在光栅表面向不同方向衍射，经过凹面聚焦反射镜(1304)聚焦在线阵CCD图像传感器(1305)的像元上，由线阵CCD图像传感器进行拉曼光谱成像。
由于本发明为基于拉曼光谱的便携式微量毒品和爆炸物毒品检测仪，因此在重要的拉曼光谱光路上要做到结构的简化的同时保证拉曼光谱的测量精度，主要进行以下2项设计：
(1)紧凑式设计，相对于传统的拉曼光谱检测系统，不仅激光光源体积较大，拉曼探头和拉曼光谱仪分开单独设计，本发明将采用小型化激光器配合TEC制冷实现光源的稳定，光路各部分直接连接，减小传统拉曼光谱检测系统光纤连接导致的损耗，使得整个光路体积减小，减小检测仪整体体积，提高检测仪便携度。
(2)改良的交叉式Czerny-Turner结构，相对于市面上常用的对称式Czerny-Turner结构，交叉式的结构具有体积小，便携性好的优点，同时本发明在光栅的设计上选择-1级衍射，与传统的交叉式Czerny-Turner结构相比，采用-1级衍射时，0级衍射即反射的方向将避开分光光路的其他光学元件，便于消除杂散光，同时通过光栅衍射公式，在近红外波段避免1级衍射，减小杂散光，使得分光效率提升，保证拉曼散射光分光后的强度。
图2给出本发明的整体结构图，整体结构由上到下依次为显示交互模块(4000)，制冷模块(2000)、电源模块(6000)和控制模块(3000)，之后是光路(1000)以及制冷模块(2000)，外部则是辅助测量微量毒品和爆炸物的表面增强拉曼基底(6000)。
所述显示交互模块(4000)采用HDMI作为视频传输接口，触控信息通过USB串行通信总线于控制模块(3000)通信.
所述制冷模块(2000)采用ADN8835芯片进行温度控制和TEC控制，分别对位于近红外光源装置(1100)和线阵CCD图像传感器(1306)中的TEC进行控制。
图3给出本发明的系统流程图，当系统开启后，用户首先根据待测样品固体、粉末或液体选择是否添加样品液池和反射镜。确认检测就绪后，仪器初始化，包括打开电源模块，通过显示交互模块的USB串行通信总线向控制模块发出检测启动指令，控制模块检测到检测启动指令后，进入下一步使能制冷模块、近红外光源装置和线阵CCD图像传感器，线阵图像传感器将原始拉曼光谱图通过模式转换后传输到ZYNQ模块，ZYNQ模块对原始拉曼光谱进行噪声滤除和基线校正后，得到优化拉曼光谱图，并与存储的毒品和爆炸物拉曼信息进行对比，匹配得到检测结果，检测结果与样品拉曼光谱信息将通过高清触摸显示屏进行显示。
使用者可以根据需要选择不同的测量模式，包括连续测量和单次测量等多种模式，在样品种类单一的情况下可以选择单次测量的方式：处理器将在检测成功后结束对近红外光源装置以及线阵CCD图像传感器的使能，防止产生的热量对于仪器寿命的影响。在需要连续测量多种样品的情况下可以选择连续测量的方式，制冷模块通过TEC制冷的方式有效的对近红外光源装置和线阵CCD图像传感器进行降温，保证连续测量的稳定性。
图4给出本发明电路系统的设计图，其中图4中的制冷模块(2000)与图1中的近红外光源装置(1100)和线阵CCD图像传感器(1305)相连，电源模块(5000)为制冷模块(2000)、控制模块(3000)和近红外光源装置(1100)连接进行电源供应，ZYNQ模块(3001)是控制模块(3000)的控制核心，通过DDR3数据缓存模块(3002)完成对拉曼光谱数据的高速处理，通过千兆网口(3003)实现仪器与计算机(PC)的数据交互，通过USB串行通信接口(3004)进行交互调试并使用HDMI高清多媒体接口将拉曼光谱和检测结果显示到显示交互模块(4000)，通过CCDQ驱动模块对线阵CCD图像传感器(1305)进行时序驱动，偏置电压输入和光谱模数信号的转换传输。
本发明结构轻便简单，与传统的拉曼光谱检测系统相比，本发明通过直接连接的方式对光路进行设计，在占用体积较大的分光光路部分，通过改良交叉式Czerny-Turner结构进行体积的缩小，在光栅处通过角度设计选用-1级衍射，在保证衍射强度的同时，能够有效的对0级衍射进行抑制，整体体积减小的情况下，杂散光的抑制和分辨率得到提高。同时一体化的设计使得本发明摆脱传统拉曼检测平台对于计算机(PC)的依赖，便于携带，能够实时的进行检测。本发明采用近红外光源装置、激发收集光路、分光光路配合以ZYNQ模块为核心的控制模块实现，结构简单，元器件普遍，价格实惠，拉曼检测效果好，有利于拉曼光谱技术在毒品和爆炸物检测等公共安全领域的推广。
机译： 毒品运送设备中含有毒品的毒品的爆炸物
机译： 毒品运送设备中含有毒品的毒品的爆炸物
机译： 毒品运送设备中含有毒品的毒品的爆炸物
