本发明属于激光探测，尤其涉及用于目标成分检测的超宽谱三脉冲libs探测系统与方法。
背景技术：
1、激光诱导击穿光谱（libs）探测技术是利用高功率密度的激光脉冲聚焦到样品表面，通过激光与物质相互作用在样品表面瞬间蒸发形成高温高压等离子体，通过收集、分析等离子体在冷却过程中发射原子和粒子光谱，实现样品中元素种类和浓度的探测。具有无接触式、破坏性小、速度快、多元素同时在线监测的优点。
2、典型的libs探测系统一般由：激光光源、收发光学模块、光谱分光与探测模块、时序控制模块和工控机模块组成。激光光源用于产生高能脉冲激光、收发光学模块用于实现高能激光脉冲在样品表面的聚焦产生等离子体，并收集等离子体光谱信号、光谱分光与探测模块负责将搜集的信号光转化为光谱波长和强度数据、时许控制模块和工控机模块共同作用，实现激光器出光和光谱分光与探测模块工作时许的精确控制，降低韧致辐射和复合辐射的影响江若信号背底干扰，并通过写入分析方法程序输出测量结果。
3、现阶段libs系统主要有单脉冲变焦探测和双脉冲固定焦距光谱增强探测两种主流方案。其中，单脉冲变焦探测技术主要由单台单波长脉冲激光器配合共轴变焦收发光学系统、光谱检测模块、工控模块进行距离动态变化场景的libs探测；双脉冲固定焦距光谱增强探测技术由两台出射波长固定的脉冲激光器配合收发分离光学系统、光谱检测模块、工控模块实现光谱数据在强度、稳定度均有较高质量的探测。现阶段的libs系统依旧存在工业场景检测受限的制约，主要表现在：
4、1.基于单脉冲远程变焦光路复用libs测量系统，可实现远程libs信号的采集，但是单脉冲libs无法避免存在光谱信号质量差和检测能力差的劣势，表现在信号光谱强度稳定性低，信号与背底强度比差、烧蚀效率和测量精度低的缺点，尤其对于远程libs探测极其不友好；同时，远程变焦主要为人为控制，无法根据目标场景完成自适应反馈变焦控制；在没有获取目标精确距离信息条件下，人为变焦的聚焦效果有限，必须基于精确的测距信息进行最佳变焦才能获得更好的libs效果；且透射式变焦对镜片镀膜工艺要求复杂，成本较高。
5、2.基于双脉冲激光的libs测量系统可以提高等离子体信号光的光谱信背比、元素检出能力和检测线，一定程度上可用于物质成分含量探测的需求，但是目前报道双脉冲系统多为固定焦距的近距离探测，无法满足工业现场大动态工作距离的要求；双脉冲激光波长固定，无法灵活完成激发脉冲和增强脉冲二者波长的匹配，实现最优光谱增强能力匹配；目前报道的基于可调谐激光器的双脉冲libs系统为固定焦距、近距离探测，没有报道具备自适应、远程探测能力的系统。
6、3.单脉冲、双脉冲libs探测模式，均未有报道进行大动态距离自适应、高稳定性获取libs信号的系统，无法胜任工业现场智能化、自动化远程libs探测需求。
技术实现思路
1、针对上述技术问题，本发明提出基于用于目标成分检测的超宽谱三脉冲libs探测系统与方法。
2、本发明第一方面公开一种用于目标成分检测的超宽谱三脉冲libs探测系统，所述系统包括：激光器组件、一级激光扩束合束光学组件；大动态自适应收发复用光学组件、光谱-全波形探测光电组件、采集与工控组件；其中：
3、由激光器组件提供实现远程诱导击穿等离子体的高能激光脉冲和用于远程二次加热等离子体目标的宽谱激光脉冲；激光器组件包括：两台特种固体激光器，其中一台为高能量纳秒nd:yag脉冲固体激光器，用于提供所述高能激光脉冲，另外一台为高能量宽谱可调谐opo脉冲固体激光器，用于提供所述宽谱激光脉冲；
4、由一级激光扩束合束光学组件对激光器组件出射的激光束进行扩束、合束处理，对视场角和发散角进行压缩，并对俯仰、方位、出射角进行调节；一级激光扩束合束光学组件包括：透射式扩束器、第一离轴扩束器、第二离轴扩束器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一平面合束镜、第二平面合束镜；
5、由大动态自适应收发复用光学组件对经过一级扩束的激光束进行二次扩束和聚焦处理，并接收回波信号；大动态自适应收发复用光学组件包括：焦距可调卡式望远镜、收发一体平面合束镜、电动调整机构、第一锥形镜、第二锥形镜、平面分光镜；
6、由光谱-全波形探测光电组件执行远程诱导击穿等离子体的光谱检测以及目标多光谱散射回波信号的光电检测；光谱-全波形探测光电组件包括：第一离轴金属反射镜、第二离轴金属反射镜、iccd型光谱仪、第一多模光纤、第二多模光纤、ct型光栅光学系统、一维光纤阵列、光纤阵列连接器、高速apd阵列；
7、由采集与工控组件控制所述系统中各组件按预先配置的程序进行工作以及反演输出探测数据；采集与工控组件包括：多路高速采集卡和工控机；用于实现脉冲激光回波波形的采集处理、libs光谱信号的分析以及激光聚焦点位的大动态自适应控制调节。
8、根据本发明第一方面的系统，对于激光器组件，其中：
9、高能量纳秒nd:yag脉冲固体激光器提供的高能激光脉冲，其中心波长为1064nm，单脉冲能量达850mj，脉宽小于9ns；
10、高能量宽谱可调谐opo脉冲固体激光器采用532nm中频激光进行泵浦，包括信号光和闲频光两个脉冲出射口，提供的宽谱激光脉冲可调谐光谱范围为680nm-2000nm，脉宽小于6ns。
11、根据本发明第一方面的系统，对于一级激光扩束合束光学组件，其中：
12、透射式扩束器镀1064nm增透膜，用于将高能量纳秒nd:yag脉冲固体激光器射出激光束视场角进行压缩，采用透射式光学结构；
13、第一离轴扩束器镀金属铝膜，对1100nm-2000nm波段高反，采用反射式结构，用于对高能量宽谱可调谐opo脉冲固体激光器的信号光信号通道光束发散角进行压缩，并消除光学色差；
14、第二离轴扩束器镀金属铝膜，对680nm-1000nm波段高反，采用反射式结构，用于对高能量宽谱可调谐opo脉冲固体激光器的闲频光信号通道光束发散角进行压缩，并消除光学色差；
15、第一平面反射镜镀1100nm-2000nm高反介质膜，对俯仰、方位进行调节，将闲频光扩束光束与信号光扩束光束调至同轴；
16、第二平面反射镜镀宽带高反膜，680-2000nm范围反射率大于94%，对俯仰、方位进行调节；
17、第一平面合束镜对俯仰、方位进行调节，对信号扩束光进行出射角度调节，正、反两面进行特种宽谱镀膜，背面对1100nm-2000nm闲频扩束光高透，正面对680nm-1000nm波段高反，对1100nm-2000nm波段高透；
18、第二平面合束镜对俯仰、方位进行调节，对1064nm高能量扩束光进行出射角度调节，正、反两面进行特种宽谱镀膜，背面对680nm-2000nm波段高透，正面对680nm-2000nm波段高透同时单独对1064nm激光束高反，反射率带宽不小于10nm。
19、根据本发明第一方面的系统，对于大动态自适应收发复用光学组件，其中：
20、在收发一体平面合束镜正反面均进行分区域镀膜；反面镀680nm-2000nm增透介质膜，透过率大于94%；正面椭圆区域镀680nm-2000nm增透介质膜，其余区域镀金属铝膜；
21、焦距可调卡式望远镜用于实现发射激光脉冲在目标处汇聚和接收目标散射信号，接收主镜镀金属铝膜，用于接收回波信号，接收次镜采用区域镀膜，圆形区域镀680nm-2000nm高反介质膜，其余区域镀金属铝膜；
22、经收发一体平面合束镜的出射激光光束正入射接收次镜的镀高反介质膜区域，利用卡式望远镜的离轴实现光束空间聚焦，回波信号由望远镜整体光学区域实现接收，经收发一体平面合束镜反射进入锥形镜对进行光束整形；
23、锥形镜对由两块大小不同的锥形镜组成，用于将回波信号进行缩束，减小光路准直口径，同时将不同波段回波信号转换成贝塞尔光束；
24、平面分光镜将libs信号和出射激光信号通过镀膜方式分开，膜层对200nm-500nm的libs信号增透，对680nm-2000nm的出射激光波长高反。
25、根据本发明第一方面的系统，对于光谱-全波形探测光电组件，其中：
26、第一离轴金属反射镜选用金属铝材质，采用非球面设计，将透过平面分光镜的libs信号光汇聚到第一多模光纤中，由第一多模光纤引导进入iccd型光谱仪进行libs光谱信号分析；
27、第二离轴金属反射镜选用金属铝材质，采用非球面设计，将三脉冲回波激光信号耦合并汇聚到第二多模光纤，第二多模光纤接入ct型光栅光学系统；
28、ct型光栅光学系统将目标散射激光脉冲信号按光谱在空间分开，光谱分光范围为800nm-1600nm；一维光纤阵列用于接收空间分光信号，光纤阵列连接器用于连接一维光纤阵列和高速apd阵列；
29、高速apd阵列采用时分复用设计，用于探测1064nm激光器和opo激光器出射激光的回波信号波形；高速apd阵列由多个光纤apd和1×3多模光纤分束器组成， 1×3多模光纤分束器合束端与光纤apd连接，光纤apd带宽满足激光脉宽探测需求，分束端三根分束光纤长度分别相差一个激光脉冲宽度的距离长度，分别与光纤阵列端相连。
30、根据本发明第一方面的系统，对于采集与工控组件，其中：
31、多路采集卡有多个采集通道匹配光纤apd数量，带宽不小于光纤apd带宽；
32、工控机用于获取光谱仪和采集卡的数据，分析libs光谱信号和目标距离信息，同时工控机中集成有激光器触发控制模块，用于控制高能量纳秒nd:yag脉冲固体激光器和高能量宽谱可调谐opo脉冲固体激光器按不同延时进行工作，对libs光谱信号进行二次增强；
33、工控机同时反馈给电动调整机构，基于多光谱实测信息控制接收望远镜次镜移动调焦，实现自适应激光光斑最佳位置聚焦，同时指示激光灯校准三脉冲出射激光光轴位置。
34、本发明第二方面公开一种用于目标成分检测的超宽谱三脉冲libs探测方法，所述方法利用本发明第一方面所述的超宽谱三脉冲libs探测系统实现目标成分检测。
35、综上，本发明从满足工业现场精确自动化检测需求出发，提出用于目标成分检测的精确自适应、大动态超宽谱三脉冲libs探测系统。在本发明的技术方案中，采用高能单波长脉冲激光器和宽谱可调谐opo激光器组合光源的三脉冲输出设计，由单波长高能激光脉冲激发等离子体，由宽谱可调谐opo光源输出的双脉冲对等离子体进行同步加热，输出波长更加灵活，加热更宽libs谱线的同时可提高更大动态距离内的libs光谱的稳定性，增加更远距离探测的信噪比。
36、在本发明的技术方案中，收发光学结构中合束镜和望远镜次镜采用分区域镀膜设计、发射--接收一体的离--共轴一体化反射式结构设计，满足大动态光谱范围工作的同时望远镜收发共用，避免了发射和接收光轴一致性装调，提高系统的指向精度和集成度，降低装调难度和成本；望远镜主镜镀金属铝膜即可实现libs信号和激光信号的高效率收集，避免了采用透射式结构中接收镜面镀复杂介质膜的需求，降低成本。
37、在本发明的技术方案中，接收后光路部分采用锥形镜组合设计，将接收的libs宽光谱准直光束与目标散射的激光脉冲准直光束通过近贝塞尔光束转化和缩束，使回波信号能量更加集中、均匀，提高采用iccd型光谱仪对libs信号远程探测的信噪比。
38、在本发明的技术方案中，距离探测采用基于宽谱可调谐opo光源和高能量激发激光脉冲光源组成的可调谐三波长同步探测，通过多光谱波形矫正方法提高测距精度。
39、在本发明的技术方案中，多光谱距离探测采用基于ct型光栅分光结构的光纤时分复用设计，使用同一光电探测器实现对三脉冲回波波形的单次同步接收，避免使用多个探测器对不用波长进行探测时带宽不同导致的波形响应不一致，提高测距精度，同时使用一个探测器进行多波长波形探测，降低成本，提高系统的集成度和稳定性。
40、在本发明的技术方案中，基于多光谱的精确测距信息，由控制系统反馈给次镜调节机构，调整次镜位置使出射光束汇聚到最佳libs光斑，结合opo光源双脉冲libs信号增强效果，保证远程libs信号的精确自适应、智能稳定获取。
1.一种用于目标成分检测的超宽谱三脉冲libs探测系统，其特征在于，所述系统包括：激光器组件、一级激光扩束合束光学组件；大动态自适应收发复用光学组件、光谱-全波形探测光电组件、采集与工控组件；其中：
2.根据权利要求1所述的一种用于目标成分检测的超宽谱三脉冲libs探测系统，其特征在于，对于激光器组件，其中：
3.根据权利要求2所述的一种用于目标成分检测的超宽谱三脉冲libs探测系统，其特征在于，对于一级激光扩束合束光学组件，其中：
4.根据权利要求3所述的一种用于目标成分检测的超宽谱三脉冲libs探测系统，其特征在于，对于大动态自适应收发复用光学组件，其中：
5.根据权利要求4所述的一种用于目标成分检测的超宽谱三脉冲libs探测系统，其特征在于，对于光谱-全波形探测光电组件，其中：
6.根据权利要求5所述的一种用于目标成分检测的超宽谱三脉冲libs探测系统，其特征在于，对于采集与工控组件，其中：
7.一种用于目标成分检测的超宽谱三脉冲libs探测方法，其特征在于，所述方法利用如权利要求1-6任一项所述的超宽谱三脉冲libs探测系统实现目标成分检测。
