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一種用于爆轟氣相產(chǎn)物水成分動態(tài)檢測的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于太赫茲波差分光譜的爆轟氣相產(chǎn)物水成分動態(tài)檢測方法，利用太赫茲波對于爆轟附加產(chǎn)物粉塵的高穿透性，以及水對于太赫茲波的高吸收特性，結(jié)合遠紅外差分光譜技術(shù)的高檢測靈敏性，實現(xiàn)對爆轟產(chǎn)物水成分的動態(tài)定量實時檢測，并給出信號提取處理方法；本發(fā)明的優(yōu)點在于：可在商用的通信光纖低損耗傳輸，能實現(xiàn)激光泵浦泵浦源和太赫茲發(fā)射端的遠距離分離，保證操作人員的安全性；保證了不同頻率太赫茲波之間傳播方向和強度的一致性，有效排除了由傳播方向和強度的不一致性對于實驗結(jié)果的干擾；響應(yīng)速度快，能有效反應(yīng)爆轟產(chǎn)物水成分動態(tài)吸收過程，同時不采用鎖相放大器采集信號，縮短了系統(tǒng)的運行時間。
【專利說明】一種用于爆轟氣相產(chǎn)物水成分動態(tài)檢測的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲光譜檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及光混頻太赫茲產(chǎn)生技術(shù)、電光調(diào)制技術(shù)、太赫茲波差分光譜檢測技術(shù)、以及快響應(yīng)太赫茲波探測技術(shù)，本發(fā)明適用于絕大部分爆轟產(chǎn)物水成分動態(tài)檢測應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002]C、H、N、O四種元素組成的炸藥爆轟后主要產(chǎn)物是N2、H20和C02。爆轟產(chǎn)物的成分含量的實時檢測，將為分析爆轟過程、確定狀態(tài)方程以及建立爆轟過程的動力學(xué)模型提供有價值信息。
[0003]目前爆轟產(chǎn)物的常規(guī)檢測手段主要有氣相色譜以及離子色譜兩種。氣相色譜分析爆轟產(chǎn)物主要是利用爆轟產(chǎn)物中不同組成成分之間的沸點、極性及吸附性的差異來實現(xiàn)爆轟產(chǎn)物成分識別以及定量檢測，其檢測爆轟產(chǎn)物的主要過程為在爆轟過程完成后，對爆轟產(chǎn)物進行采樣制成待測樣品，然后將樣品放入氣相色譜的氣體腔室，在惰性氣體的引領(lǐng)下，進入色譜柱(柱內(nèi)含有液體或固體固定相)，由于樣品中各組分的沸點、極性或吸附性能不同，每種組份都傾向于在流動相和固定相之間形成分配或吸附平衡。但由于載氣(惰性氣體)的流動性導(dǎo)致這種平衡難以建立，故可使樣品組分在載氣運動過程中多次反復(fù)進行分配或吸附/解吸附，最后使樣品中濃度大的組分先流出色譜柱，而在固定相中分配濃度大的組分后流出，從而實現(xiàn)爆轟氣體產(chǎn)物組成成份定性檢測以及定量檢測。離子色譜的分離機理主要是離子交換，檢測爆轟產(chǎn)物的主要過程為在爆轟過程完成后，對爆轟產(chǎn)物進行采樣制成待測樣品，通過高效離子交換色譜(通過離子交換實現(xiàn)組成成分分離)、離子排斥色譜(通過離子排斥實現(xiàn)組成成份分離)或離子對色譜(通過吸附和離子對的形成實現(xiàn)組成成份分離)三種方式實現(xiàn)樣品組成成份分離，最后通過電化學(xué)或者光化學(xué)手段對個組成成份進行定量檢測。由上述可知，氣相色譜和離子色譜均能實現(xiàn)爆轟產(chǎn)物的定性檢測以及高靈敏度的定量檢測，但兩者對于爆轟產(chǎn)物的檢測，均只能在爆轟過程完成后，對爆轟產(chǎn)物進行采樣制樣后才能實現(xiàn)爆轟產(chǎn)物的檢測，不具備實時檢測的能力，且不能實現(xiàn)爆轟反應(yīng)過程中爆轟產(chǎn)物含量的動態(tài)檢測，因此難以為分析爆轟過程、確定狀態(tài)方程以及建立爆轟過程的動力學(xué)模型提供有價值動態(tài)信息。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了實現(xiàn)爆轟產(chǎn)物水成分的動態(tài)實時測量，提供一種用于爆轟產(chǎn)物水成分動態(tài)檢測的太赫茲波差分光譜技術(shù)，利用太赫茲波對于爆轟附加產(chǎn)物粉塵的高穿透性，以及水對于太赫茲波的高吸收特性，結(jié)合遠紅外差分光譜技術(shù)的高檢測靈敏性，實現(xiàn)對爆轟產(chǎn)物水成分的動態(tài)定量實時檢測，并給出信號提取處理方法。
[0005]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，采用以下技術(shù)方案:
一種基于太赫茲波差分光譜的爆轟氣相產(chǎn)物水成分動態(tài)檢測方法，該方法包括光混頻太赫茲波、振幅調(diào)制、快響應(yīng)太赫茲探測三個部分，具體步驟如下: 光混頻太赫茲波和振幅調(diào)制:采用兩路頻率不同的激光，其中一路激光作為本地振蕩源，另一路激光通過光電調(diào)制器進行振幅調(diào)制產(chǎn)生兩個變頻帶，通過光纖耦合器將兩路激光同時注入快響應(yīng)的光電二極管中，發(fā)生光混頻效應(yīng)，輻射出頻率相近的傳播方向相同的不同頻率的太赫茲波；
輻射出的不同頻率的太赫茲波，其中一個頻率位于水特征吸收峰，另一個頻率在水特征吸收峰之外的相近頻率；
快響應(yīng)太赫茲探測:由天線輻射出的兩路太赫茲波快速進入并穿過爆炸區(qū)域，由太赫茲探測器接收穿過爆炸區(qū)域的兩路太赫茲波，太赫茲探測器將接收到兩路激光的損耗信息傳送給計算機，由計算機將信息解碼還原，實現(xiàn)對爆炸區(qū)域的水成分含量的動態(tài)定量檢測。
[0006]在上述技術(shù)方案中，所述的不同頻率的激光輸出由工作波長在1550nm波段的兩臺可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器分別輸出。
[0007]在上述技術(shù)方案中，所述頻率位于水特征吸收峰的太赫茲波在傳輸過程中會被爆炸區(qū)域內(nèi)的水大量吸收及粉塵等顆粒散射損耗，導(dǎo)致該頻率太赫茲波在被太赫茲探測器接收時出現(xiàn)衰減。
[0008]在上述技術(shù)方案中，其特征在于所述頻率位于水特征吸收峰外的相近頻率太赫茲波在傳輸過程中會被爆炸區(qū)域內(nèi)的粉塵等顆粒散射損耗，導(dǎo)致該頻率太赫茲波在太赫茲探測器接收時同樣會出現(xiàn)衰減。
[0009]在上述技術(shù)方案中，通過對比所述頻率位于水特征吸收峰的太赫茲波的信號衰減和頻率位于水特征吸收峰之外的太赫茲波的信號衰減，可得到頻率位于水特征吸收峰的太赫茲波信號僅由水吸收而造成的衰減。
[0010]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是:
基于光混頻原理產(chǎn)生太赫茲波，其優(yōu)點在于泵浦激光采用1550nm波段的中紅外激光，可在商用的通信光纖低損耗傳輸，能實現(xiàn)激光泵浦泵浦源和太赫茲發(fā)射端的遠距離分離，保證操作人員的安全性。
[0011]采用振幅調(diào)制方式實現(xiàn)雙頻率太赫茲波發(fā)射，其優(yōu)點在于在實現(xiàn)兩個頻率太赫茲波發(fā)射的基礎(chǔ)上，保證了不同頻率太赫茲波之間傳播方向和強度的一致性，有效排除了由傳播方向和強度的不一致性對于實驗結(jié)果的干擾。
[0012]采用差分光譜檢測技術(shù)，其優(yōu)點在于利用水在太赫茲波段窄吸收峰特性，通過頻率相近但在水特征吸收峰之外的同向傳輸?shù)奶掌澆ㄅ懦⑸涞绕渌蛩貙τ谔掌澋膿p耗，得出在水特征吸收峰處的太赫茲波只與水吸收相關(guān)的吸收損耗值。
[0013]采用快響應(yīng)太赫茲無源探測器探測太赫茲差分信號，其優(yōu)點在于響應(yīng)速度快，能有效反應(yīng)爆轟產(chǎn)物水成分動態(tài)吸收過程，同時不采用鎖相放大器采集信號，縮短了系統(tǒng)的運行時間。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
圖1是本發(fā)明的實施過程示意圖；
其中:1是可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器；2是光纖；3是電光調(diào)制器；4是光纖耦合器；5是太赫茲發(fā)射器；6是太赫茲透鏡；7是太赫茲探測器；8是太赫茲波；9是計算機，10是太赫茲差分光譜信號。

【具體實施方式】
[0015]如圖1所示，本發(fā)明具體實施如下:
本發(fā)明采用工作波長在1550nm波段的兩臺可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器分別輸出不同波長的激光，兩者頻率間隔在太赫茲波段，其中一路連續(xù)激光作為本地振蕩源直接通過光纖傳輸，另外一路連續(xù)激光經(jīng)過電光調(diào)制器進行振幅調(diào)制產(chǎn)生兩個邊頻帶，兩路激光通過光纖耦合器同時注入快響應(yīng)的光電二極管中，快響應(yīng)的光電二極管也就是圖中的太赫茲發(fā)射器。兩路激光在快響應(yīng)的光電二極管中發(fā)生光混頻效應(yīng)，然后通過天線輻射出頻率相近的兩個不同頻率的太赫茲波。在這個過程中，通過兩路調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的頻率差以及振幅調(diào)制的正弦波頻率，可使太赫茲波的其中一個頻率位于水特征吸收峰，另外一個頻率在水特征吸收峰之外的相近頻率，產(chǎn)生水成分檢測的差分檢測太赫茲波信號。太赫茲波由太赫茲波透鏡準直后透射經(jīng)過爆轟區(qū)域，再由太赫茲波透鏡聚焦到太赫茲探測器上。兩路太赫茲波在爆炸區(qū)域中，其中頻率位于水特征吸收峰中的一路會被爆炸區(qū)域中的水分大量吸收和粉塵顆粒散射損耗，導(dǎo)致該路太赫茲波在爆炸區(qū)域中傳輸過程中會不停衰減，而另一路太赫茲波因為頻率不在水特征吸收峰中，在爆炸區(qū)域中只會被粉塵顆粒散射損耗，就會出現(xiàn)相對較小的衰減，兩路太赫茲波在被接收后就會出現(xiàn)明顯的能量差異，因此太赫茲探測器將接收到的信號由計算機進行分析爆轟過程中兩個頻率太赫茲波的損耗值之間差值隨時間的變化，即實現(xiàn)爆轟產(chǎn)物中水成分含量的動態(tài)定量檢測。
[0016]本發(fā)明并不局限于前述的【具體實施方式】。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
【權(quán)利要求】
1.一種基于太赫茲波差分光譜的爆轟氣相產(chǎn)物水成分動態(tài)檢測方法，其特征在于該方法包括光混頻太赫茲波、振幅調(diào)制、快響應(yīng)太赫茲探測三個部分，具體步驟如下: 光混頻太赫茲波和振幅調(diào)制:采用兩路頻率不同的激光，其中一路激光作為本地振蕩源，另一路激光通過光電調(diào)制器進行振幅調(diào)制產(chǎn)生兩個變頻帶，通過光纖耦合器將兩路激光同時注入快響應(yīng)的光電二極管中，發(fā)生光混頻效應(yīng)，輻射出頻率相近的傳播方向相同的不同頻率的太赫茲波； 輻射出的不同頻率的太赫茲波，其中一個頻率位于水特征吸收峰，另一個頻率在水特征吸收峰之外的相近頻率； 快響應(yīng)太赫茲探測:由天線輻射出的兩路太赫茲波快速進入并穿過爆炸區(qū)域，由太赫茲探測器接收穿過爆炸區(qū)域的兩路太赫茲波，太赫茲探測器將接收到兩路激光的損耗信息傳送給計算機，由計算機將信息解碼還原，實現(xiàn)對爆炸區(qū)域的水成分含量的動態(tài)定量檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于太赫茲波差分光譜的爆轟氣相產(chǎn)物水成分動態(tài)檢測方法，其特征在于所述的不同頻率的激光輸出由工作波長在1550nm波段的兩臺可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器分別輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于太赫茲波差分光譜的爆轟氣相產(chǎn)物水成分動態(tài)檢測方法，其特征在于所述頻率位于水特征吸收峰的太赫茲波在傳輸過程中會被爆炸區(qū)域內(nèi)的水大量吸收及粉塵等顆粒散射損耗，導(dǎo)致該頻率太赫茲波在被太赫茲探測器接收時出現(xiàn)衰減。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于太赫茲波差分光譜的爆轟氣相產(chǎn)物水成分動態(tài)檢測方法，其特征在于其特征在于所述頻率位于水特征吸收峰外的相近頻率太赫茲波在傳輸過程中會被爆炸區(qū)域內(nèi)的粉塵等顆粒散射損耗，導(dǎo)致該頻率太赫茲波在太赫茲探測器接收時同樣會出現(xiàn)衰減。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于太赫茲波差分光譜的爆轟氣相產(chǎn)物水成分動態(tài)檢測方法，其特征在于通過對比所述頻率位于水特征吸收峰的太赫茲波的信號衰減和頻率位于水特征吸收峰之外的太赫茲波的信號衰減，可得到頻率位于水特征吸收峰的太赫茲波信號僅由水吸收而造成的衰減。
【文檔編號】G01N21/3504GK104266994SQ201410528509
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】李江, 朱禮國, 劉喬, 孟坤, 鐘森誠, 翟召輝, 彭其先, 李澤仁 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所