专利名称：检测少量物质的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测物质或分子，特别是检测远离(stand-off)距离处的非常少量的物质或者物质粒子。
背景技术：
被激光束击中的物质(例如爆炸物或管制药品)将会反射或者散射大部分接收光。 所述反射和散射光将主要具有与接收光相同的波长，但是一些散射光将是波长偏移的，这就是“拉曼散射”光。包括多个波长的光的该散射光的分布被称作“拉曼光谱”。因此，以与其他光谱类似的方式，对于每一种物质(或者更精确地说对于每一种类型的分子)的拉曼光谱包括一条或多条波长带/线，并且是特定于分子的。拉曼光谱中的每一条带或线都对应于分子中的一种振动模式。由于对于每一种分子的唯一拉曼光谱，因此可以通过将所测量的拉曼光谱与参考光谱进行比较而识别出物质。对于远离检测(即远距离检测或者在某一距离处的检测)来说，将激光束指向所述物质，并且利用望远镜来收集反射和散射光。利用光学滤光器系统和光学传感器来测量拉曼光谱。为了识别出已为其测量了拉曼光谱的物质或分子，使用一种信号处理算法来将所测量的光谱与存储在数据库中的各种光谱进行比较。远距离检测可以被假定是在一定距离处进行的，这些距离被称作远离距离，其大于通常在实验室中的距离，在实验室中待检查物质被放置成直接邻近光谱仪，所述距离通常被取为大于50cm或者通常大于5m并且常常处于10 — IOOm的范围内。在物质检测时，一项困难的任务是识别出少量(也被称为痕量)相关物质或者位于许多其他物质当中的所搜索物质。在检测中，通常会与来自其他物质的信号一起获得来自相关物质的信号，其中前面的信号可以被称作噪声。信号与噪声的比例(这被称作信噪比 (SNR))越低，检测就变得越难。这一问题对于许多针对粒子检测的应用来说都很常见。—项这样的任务是识别出存在于指纹中的物质，其中可能还存在多种其他物质。 指纹中的物质通常以粒子的形式存在于它们自身。因此，为了使得SNR最大化，期望利用其中相关粒子与不相关粒子的比尽可能高的指纹区域来执行检测。很明显，具有最大SNR的区域就是排除了所有周围区域的一个相关粒子的区域。这一点不仅对于指纹是成立的，而且对于其中期望在杂乱环境中检测痕量物质的每一种应用也是成立的。为了实现这一点，必须满足两个目的。首先，所使用的检测器必须在远离距离处具有接近粒子尺寸的分辨率，其次，所述检测器必须能够在远离距离处定位接近粒子尺寸的对象。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于检测非常少量的物质的方法和装置。一般来说，可以将检测区域或感兴趣的区域划分成多个较小区域，其在这里被称作子区域，其中每一个子区域的尺寸与一个或多个(例如少数几个，比如2 — 5个，或者更好是2 — 3个)粒子的尺寸相当。由于这样的子区域将包含仅仅一个或仅仅几个粒子，因此如果存在任何相关粒子的话，其SNR将很高。在极端情况下，比如对于检测特殊有机分子，所述子区域的尺寸甚至可以与单个或几个分子的尺寸相当。通过把多个子区域聚集形成一个更大区域并且同时检测包括在所述多个子区域中的所有各单独子区域，可以找到所述更大区域当中的具有一个或几个相关粒子的任意子区域。一般来说，在检测物质中，将激光束指向目标，把望远镜聚焦在所述目标上的由激光束照射的位置，并且在具有若干个像元的摄影机上描绘望远镜图像。于是每一个像元将对应于目标上的一个单独的元素子区域。插入在望远镜与摄影机之间的光学滤光器提供关于目标上的各物质的光谱信息。通过重复改变所述光学滤光器的带通波长以及收集摄影机对于每一种滤光器设定的响应，可以确定对于每一个元素子区域的单独的光谱响应。在下面的描述中将阐述本发明的其他目的和优点，并且其中的一部分可以从描述中明显看出，或者可以通过实践本发明而获知。可以借助于特别在所附权利要求书中指出的方法、处理、仪器和组合来实现及获得本发明的目的和优点。
虽然本发明的新颖特征特别是在所附权利要求书中阐述的，但是通过考虑下面参照附图对下文中给出的非限制性实施例的以下详细描述，可以在其组织和内容两方面获得对于本发明的上述和其他特征的全面理解，并且将会更好地认识本发明，其中
一图1是用于检测少量物质的检测系统的示意一图2是示出了如何将粒子成像到各单独像素上的示意一图3是与图1类似的还具有波长分离装置的示意图；以及
一图4是与图2类似的对于被成像到对应的像素上的受照射带的示意图。
具体实施例方式图1是用于远离拉曼光谱法的设备的示意图，即针对位于与用于收集拉曼散射光的装置的相对较大距离处的对象的拉曼光谱法。由激光器1发出单色光束并且将其指向目标3的区域2或区。当所述光束的光击中所述区域时，大部分光被散射。此外，大部分散射光的波长与击中所述区域的光的波长相同。但是一小部分散射光具有偏移的波长。散射光由光学望远镜4收集，其被设定成清楚地描绘由所述激光束照射的区域2。所述光学望远镜明显地收集从所描绘的区域在该望远镜的方向上发出的所有光，其中包括反射和散射光二者，反射光构成噪声。参见图2，在摄影机6的光敏表面5上描绘望远镜图像，所述光敏表面包括多个像元7，其也被称作像素。因此，所述光敏表面可以被称作像素阵列。每一个像元于是对应于包括在目标3的受照射区域2内的一个单独的元素子区域2’。可以把用于获得关于目标的受照射区域3内的各物质的光谱信息的某种装置(比如光学滤光器8)插入在望远镜4与摄影机6之间。所述光学滤光器可以是带通类型的，也就是说其可以被设计成只允许某一波长窗口内的光透过。通过重复改变所述光学滤光器的设定，比如移动光学滤光器8的波长窗口，并且通过收集对于每一种所选设定或波长窗口的摄影机6的响应，可以确定对于包括在受照射区域2内的每一个元素子区域2’的单独光谱响应。如图2中所见，粒子图像的尺寸例如可以大致与像素7的大小相同，并且于是所述粒子的尺寸还可以近似对应于与所述像素相应的元素子区域2’的尺寸。像素尺寸和远离距离确定所述光学系统的设计参数。所述光学系统的放大率可以被确定成使得对应于一个像素的元素子区域的尺寸取决于相关物质及其粒子尺寸分布的特性，并且还考虑到如前面所讨论的背景噪声(即不相关的物质在从摄影机6的光敏表面5中的检测所得到的信号的贡献)、所使用的物理检测方法以及所期望的SNR。所述粒子尺寸通常处于1 一 100 μ m的范围内，并且远离距离例如可以达到1000m。像素7的形状和像素阵列5的形状可以是任意的。在图2中所见的矩形或方形像元和矩形像素阵列代表在商业摄影机中找到的典型形状，但是，还可以使用单行或单列像素或者不规则或不连续配置的像素。所使用的检测方法可以是普通的拉曼光谱法。还可以使用其他检测方法，其中包括拉曼光谱法的各变型，例如近共振拉曼光谱法和共振增强的拉曼光谱法(RRS或RERS)， 以及诸如激光诱导荧光(LIF)的类似方法。光学滤光器8例如可以是LCTF (液晶可调谐滤光器)或AOTF (声一光可调谐滤光器)。激光器1可以是Nd-YAG脉冲激光器，但是也可以使用其他激光器，比如例如KrF激光器之类的准分子激光器。某些应用还可以使用连续波(CW)激光器。某些应用可能需要可调谐激光器以例如用于荧光抑制和共振增强。适于检测的相关物质可以包括(但不限于)爆炸物、爆炸物标志物和爆炸物前驱物。其他感兴趣的物质可以是TIC (有毒工业化学品)、CWA (化学战剂)、药品、药品前驱物和一般性的危险物质。此外，还可能对表明危险活动和/或危险内容的安全物质感兴趣。所述设备可以包括控制单元11，其包括用于执行各种任务的单元或模块。因此， 激光器控制�？�12可以连接到激光器1以用于控制何时发出光脉冲以及所述脉冲的长度。 摄影机�？�13可以连接到摄影机6以用于控制光敏表面5的像素7何时打开来检测光，以及用于控制其检测时间段的长度。来自所述摄影机的信号可以被输入到图像处理单元14， 其例如可以选择适于分析的从其而来的信号的像素。滤光器�？�15连接到光学滤光器8 以用于控制其滤光特性。从前面的描述显而易见的是，在搜索目标3中的特定物质或分子时的基本规程可以是如下。1.激光器1被设定成使得其发射的光束被指向目标3上的区域2。2.望远镜4被设定成使得清楚地或者清晰地描绘受照射区域2。3.光学滤光器8被设定成允许第一波长带的光通过。4.摄影机6被激活以拍摄照片。来自每一个像素7的信号被馈送到控制单元11 并且被存储。5.改变光学滤光器8的设定，以便允许另一波长的光通过。
6.重复步骤4.和5.，直到来自摄影机6的对于每一个感兴趣的波长带的光的信号都已被记录为止。7.例如通过把对于相关的像素7中的一个或者对于一组像素当中的每一个像素的所存储的信号与已经存储的信号图案进行比较来对它们进行分析。存储所述比较的结^ ο8.改变所述激光束的方向，从而使其击中目标3的另一个区域2。9.对于该另一个受照射区域2重复步骤2. — 7.。10.对所存储的结果进行评估。在比较步骤7.中，相关像素7可以是对应于由激光束照射的总区域2的单个像素，也就是说区域2与2’可以是完全相同的。如果由激光束照射的区域2被描绘在一组像素7上，则可以单独分析对于该组当中的每一个像素的所存储的信号，或者可以对于光学滤光器8的每一种设定将来自该组当中的所有像素的信号相加并且然后可以对结果得到的总和进行分析。一般来说，所述方法可以适于各种特殊情况，这例如是通过选择受照射区域2的位置及其形状以及通过相互一起分析对于例如各组像素7获得的信号而实现的。这样的一组像素于是对应于目标3上的包括在受照射区域2内的一个子区域，但是其大于每一个元素子区域2’。下面将描述特定实施例。在其中望远镜4暴露于机械震动和振动的情况下，可以使用某种稳定化装置或方法，例如机械或光学稳定化。此外，比如在图像处理�？�14中执行的图像处理可以被用来稳定化所述检测。具体来说，激光器1可以被设定成发射例如长度为IOns的光脉冲。摄影机控制�？�13控制要打开的摄影机6以便仅仅在适当设定的时间窗口内进行检测，从而使得像素7只在这些时间窗口期间检测到接收光(即拍摄照片)。所述时间窗口例如被设定成相继于(in relay to)每一个发出的光脉冲具有所选延迟并且具有适当的所选长度，以便只针对从所述受照射子区域散射的光给出最优检测。如果望远镜4在检测期间发生移动， 则来自每一个像素5的所检测到的信号将不来自于对象3的同一个小的元素子区域2’。在对所检测到的信号进行评估之前，可以使用例如在图像稳定化�？�18中执行的图像稳定化规程，其中将所拍摄的照片相互进行比较并且在必要时移位，从而使得在所有结果得到的照片中，对于每一个像素的信号都来自对象3的同一个元素子区域2’。最后，例如通过将对于所选子区域的每一个像素7和光学滤光器8的每一种设定的信号相加来分析结果得到的照片。这些总和于是构成对于所选子区域的散射光的测量光谱。可以使用图像处理来识别目标上的对检测来说特别感兴趣的区域。首先可以捕获对于某一适当波长带的目标3的总体照片，并且随即针对与内建或外部可用的数据库中的已捕获的对象照片相匹配的对象图像(未示出)来对所捕获的照片进行分析。这种对象的例子包括门把手，其有可能包含来自指纹的痕量。随后可以把所述检测器系统人工地或自动地指向这样识别出的区域中的一个或多个。还可以使用图像处理来把所检测到的粒子图案与数据库中的图案相匹配(未示出)。可以首先可以针对其光谱被包括在数据库中的物质粒子的存在来分析感兴趣的对象。 随后将整个对象的照片中的粒子位置与已知的粒子位置图案相匹配。可以利用以下各项扫描区域和/或对象1.在地理上稳定的检测系统，在其中安装进行检测所需要的光学装置(比如激光器1、 望远镜4、光学滤光器8和摄影机6)以作为一个单元进行有角度地移动，特别是具有摇摄和倾斜功能。这些功能例如可以由移动控制�？�17来控制。此外，为了设定望远镜4的聚焦，可以使用聚焦控制�？�16。通过有角度地移动所述光学装置，即将它们作为一个单元摇摄和/或倾斜，可以对对象或表面进行连续扫描，从而捕获所述对象或表面的重叠照片。使用图像处理来产生整个对象或表面的结果得到的照片，从而使得结果得到的照片中的每一个像元7如前面那样对应于感兴趣的对象3或表面的一个以及仅一个小的元素子区域2’。 随后可以对结果得到的照片进行分析，以便产生从所述对象或表面的各子区域散射的光的光谱。2.在地理上移动的检测系统，其例如被安装在交通工具上(未示出)，从而进行检测所需要的光学装置被刚性地附着到所述交通工具上。所述光学装置由于地理移动被指向对象3或表面并且对对象3或表面进行连续扫描。如前面那样，使用图像处理来产生整个对象或表面的结果得到的照片，从而使得结果得到的照片中的每一个像元7如前面那样对应于所述对象或表面的一个以及仅一个小的元素子区域。随后可以对结果得到的照片进行分析，以便产生从所述对象或表面的各子区域散射的光的光谱。3. 1.与2.的组合，即其中进行检测所需要的光学装置被安装成具有摇摄和倾斜功能的在地理上移动的检测系统。参见图4，所述激光束可以例如由适当的光学系统(未示出)形成或整形，以便具有细条或细直线形状的横截面，从而使其照射目标3 (即感兴趣的对象)的对应的带形区域 2’’。所述带形区域的宽度可以对应于感兴趣的子区域的宽度。具体来说，其可以对应于或者可能略微超出(比如不超过多于25%，或者更好地10%)在单个像素(即一个元素子区域 2’ )上描绘的区域的宽度或高度。于是摄影机6的光敏表面5可以仅仅包括像素7的单个线性阵列，即沿着一条线(比如在一行或一列中)布置的像素。所述像素可以如在传统摄影机中那样具有矩形或方形形状，但是它们也可以是例如多边形。来自对象3上的受照射带形区域或细线2’，的光(即来自该区域的反射和散射光二者)被投射到摄影机6中的线性像素阵列上。所述受照射的细线可以被沿着水平、垂直或者任意方向定向。可以利用如前所述的“条形激光器”来扫描区域和/或对象。所述扫描可以利用具有如前所述的摇摄和倾斜功能的检测装置从稳定地理位置进行。所述扫描可以替换地按照如前所述的“移动”方式执行。在后一种情况下，所述检测装置可以可选地还具有摇摄功能或倾斜功能或者具有全部这两种功能。如图4中所见，被形成为具有如前所述的条或细直线的横截面的激光束还可以与传统的矩形光敏表面5 —起使用，其中所述传统的矩形光敏表面5具有多个水平行和多个垂直列的像素7。于是光敏表面5的对应于目标3上的受照射线性区域2’’的区域可以是有效的用于检测。为了提高检测速度，可以使用边缘或线性类型的波长色散装置19，例如圆柱段透镜、棱镜或衍射光栅，见图3。所述波长色散装置可以被放置成偏转所收集到的从望远镜4输出的反射和散射光，在其传递到像素7的阵列5上之前。波长色散装置19将对于适当的定位来偏转光，从而使得不同波长的光击中像素阵列5的不同区域。于是，具有最长波长的光通常会击中处于所述像素阵列的一端或一侧的一条像素直线，而具有最短波长的光则击中处于所述像素阵列的相对端或相对侧的一条像素直线。取决于像素阵列的布局，从一行像素或一列像素获得的信息或信号于是代表从目标的相应线性区域散射的并且具有仅处于狭窄波长带内的波长的光的强度，即对来自目标的受照射区域的狭窄波长带的光谱响应。为了检查对象3，可以使用照射所述对象3的对应于一个或多个像素7的区域2的激光束。在利用扩谱技术的一项测量中或者在对于一个光谱带一次性进行的若干项测量中获得光谱。将光束移动到可以是相邻的或不相邻的下一个子区域，并且进行另一项测量。通过把来自已经为其进行了测量的各单独子区域的响应相加来获得总对象3的图像。这里所描述的检测系统可以被用在普通的基于陆地的交通工具中，但是也可以被用在无人驾驶的交通工具中，比如用在UAV (无人飞行器)或水面舰艇中。应当理解的是，在这里和其权利要求书中，诸如“顶部”和“底部”、“向上”和“向下”、“宽度”和“高度”之类的这些术语仅仅是用于说明性目的，以便提供对于本发明的清楚且可理解的描述和权利保护。这样的术语绝不应被理解为进行限制，这是因为本发明的装置可以全方向使用，正如通过它们在不同应用领域内的多种用途所能理解的那样。虽然在这里已说明并描述了本发明的具体实施例，但是应当认识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以设想许多其他实施例，并且将会容易想到许多附加的优点、修改和改变。因此，本发明在其更广泛的方面不限于这里示出并描述的具体细节、代表性装置和说明性实例。相应地，在不背离如所附权利要求书及其等效表述所限定的一般性发明概念的精神和范围的情况下，可以做出许多修改。因此应当理解的是，所附权利要求书意图涵盖落在本发明的真实精神和范围内的所有这种修改和改变。在不背离本发明的精神和范围的情况下可以设想许多其他实施例。
权利要求
1.一种确定对象是否包含确切种类的物质或分子的方法，所述物质或分子特别是比如爆炸物或爆炸物成分的危险物质或者危险物质的分子，利用确切波长的光对所述对象进行照射并且分析散射光以便获得拉曼光谱或类似光谱，通过光学系统收集并聚集由所述对象散射的光，所述光学系统特别是望远镜类型的光学系统，其特征在于一在照射所述对象时，照射该对象的表面的区域；一由所述光学系统收集并聚集来自所述受照射区域的光；-由像元阵列中的多个单独像元检测所收集的光，从而提供检测信号；以及一在分析所述散射光时，单独分析来自每一个单独像元的检测信号。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述受照射区域的对应于各单独像元中的一个的子区域的宽度或维度被选择成对应于确切种类的粒子或分子的尺寸或维度。
3.根据权利要求1一 2中的任一项的方法，其特征在于，在检测所收集的光之前对其进行滤光，从而对仅仅一个波长范围的光进行分析。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，对多个波长范围当中的每一个执行散射光的分析。
5.根据权利要求1一 4中的任一项的方法，其特征在于，所述对象的表面的受照射区域是线区或带形区域，特别地带形区域的宽度对应于或略微超出被描绘在单一的一个单独像元上的区域的宽度或高度。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，使所收集的光穿过边缘或线性类型的波长色散装置，所述波长色散装置的边缘或轴被定向成使得从所述线区收集的光击中所述单独像元的各条平行线，并且从所述线区收集的击中这些线中的每一条线的光仅仅包括对应的单独波长带的波长。
7.一种用于确定对象是否包含确切种类的物质或分子的系统，所述物质或分子特别是比如爆炸物或爆炸物成分的危险物质或者危险物质的分子，包括一用于利用确切波长的光对所述对象进行照射的光源；一用于收集并聚集来自所述对象的光的光学系统，所述光学系统特别是望远镜类型的光学系统；一接收所收集并聚集的光的光检测装置；以及一用于从来自所述光检测装置的信号获得拉曼光谱或类似光谱的分析单元，其特征在于一所述光源被设定成照射所述对象的表面的区域；一所述光学系统被布置成收集并聚集来自所述对象的表面的受照射区域的光；一所述光检测装置包括光敏表面，所述光敏表面包括被布置成像元阵列的多个单独像元，所述单独像元中的每一个提供检测信号；以及一所述分析单元被布置成单独地分析来自所述单独像元中的每一个的检测信号。
8.根据权利要求7的系统，其特征在于，所述光源和光学系统被设定成使得所述受照射区域的对应于所述单独像元中的一个的子区域的宽度或维度被选择成对应于确切种类的粒子或分子的尺寸或维度。
9.根据权利要求7— 8中的任一项的系统，其特征在于用于在由所述光检测装置接收到所收集的光之前对其进行滤光的滤光器，从而检测仅仅一个波长范围的光。
10.根据权利要求9的系统，其特征在于，所述滤光器是可调谐的，从而通过相应地调谐所述滤光器来使所述光检测装置能够检测对于多个波长范围中的每一个的光。
11.根据权利要求7- 10中的任一项的系统，其特征在于，所述光源被布置成使得所述对象的表面的受照射区域是线区或带形区域，特别地带形区域的宽度对应于或略微超出被描绘在单一的一个单独像元上的区域的宽度或高度。
12.根据权利要求11的系统，其特征在于边缘或线性类型的波长色散装置，其被布置成使得所收集并聚集的光穿过其中，所述波长色散装置是边缘或线性类型的，其边缘或轴被定向成使得从所述线区收集的光击中所述单独像元的各条平行线，并且从所述线区收集的击中这些线中的每一条线的光仅仅包括对应的单独波长带的波长。
13.根据权利要求12的系统，其特征在于，所述波长色散装置是圆柱段透镜、棱镜或衍射光栅。
全文摘要
在确定对象是否包含例如危险物质或者危险物质的分子时，利用确切波长的光照射所述对象(3)。望远镜(4)收集并聚集由所述对象散射的光，并且摄影机(6)中的像元阵列中的多个单独像元接收并检测所收集并聚集的光。对来自每一个单独像元的检测信号进行单独分析，以便产生对于所述对象的受照射区域的子区域有效的拉曼光谱或某种类似光谱，其中所述子区域对应于相应的像元。所述受照射区域的对应于单独像元中的一个的子区域可以被选择成具有一定宽度或维度，所述宽度或维度被选择成对应于所述危险物质的粒子或分子的尺寸或维度。能够被调谐的滤光器(8)可以被用来在由摄影机接收到所收集并聚集的光之前对其进行滤光，以使得每次检测仅仅一个波长范围的光。
文档编号G01N21/88GK102257370SQ200980151015
公开日2011年11月23日 申请日期2009年12月17日 优先权日2008年12月18日
发明者亨里克 O. 申请人:Foi国防研究所
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