CN110161528A - 一种基于光学相干层析技术的火灾现场复杂环境激光三维成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于光学相干层析技术的火灾现场复杂环境激光三维成像方法，该方法利用的设备包括超窄线宽激光器(1)，基于声光调制器的波长扫描装置(2)，光纤环行器(4)，第三光纤准直器(5)，二维扫描单元(6)，光学变焦单元(7)，第二光纤耦合器(8)，平衡探测器(9)和计算机(10)。通过高相干性、宽光谱的扫频激光输出及光纤式的相干探测，可以利用光学相干层析技术实现火灾现场烟雾及火焰环境的相干层析成像，具有探测灵敏度高、成像距离远、分辨率高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及三维激光成像领域，尤其涉及一种基于光学相干层析技术的火灾现场复杂环境激光三维成像方法。
背景技术
人类对火的使用改变以人类进化的过程，也在非常大的程度上推动了传统手工业和近现代工业的发展，但带来了大量的安全隐患和灾难。2013～2016年，我国年均发生火灾36万起，火灾死亡1852人，火灾受伤1357人，火灾直接财产损失44亿元。生命高于一切，但是往往一旦发生火灾，就会有伤亡。从传统火场救援的角度看，掌握火灾现场情况非常重要，被困人员多少、地点、危险情况、火势大小、着火物品、危险程度等情况都要掌握，了解和掌握这些情况对救人起到至关重要的作为。然而由于火灾现场一般会产生大量的浓烟及火焰。烟雾影响了救援人员观察火灾现场情况，给搜救工作带来各种不便。红外热成像仪利用红外探测器接受被测目标的红外辐射能量分布图像，但其无法提供火灾现场，尤其是建筑火灾内部现场结构的图像。而且炽热的结构材料以及超过1200度的气体温度也会限制红外热成像的应用。与此同时，由于火焰或者弱电离炽热气体对微波的吸收及衰减作用，限制了微波雷达在火灾救援中的作用。
利用激光雷达技术可以实现高分辨率三维结构成像，但对于火灾现场成像而言，其面临以下两个问题：(1)烟雾等效应对激光传输具有散射效应，(2)烟雾、火焰等效应对激光传输具有吸收作用。烟雾的散射效应及吸收效应会使激光的传输产生衰减。火灾烟雾是可燃物燃烧产生的气溶胶，它的主要组分是可燃物燃烧产生的气相产物与掺混进来的空气，并混杂着许多微小的固体颗粒和液滴。烟雾的物理物性主要依赖于可燃物性质和燃烧状况，不同可燃物燃烧产生的烟雾，其颗粒的粒径分布、平均粒径、颗形状、组分和深度各不相同，其衰减特性也不尽相同。赵建华等人对火灾烟雾的多波长衰减特性进行了研究。另一方面，烟雾的散射效应会对激光产生多路径效应，对激光成像的分辨率造成影响。
非接触式光学三维成像技术已经应用精密匹配、探伤、工业制造等多个领域，也发展出了多种相干、非相干的三维成像方法。各个方法在成像精度、成像速度、成像范围有个不同的性能。结构光成像方法可以实现比较高的成像速度，但是其环境要求较高、工作距离较短，尤其不适用于火场复杂环境。M Locatelli等人利用10.6um波长的数字层析成像，成功地实现烟雾及火焰下的光学成像(M.Locatelli，E.Pugliese，M。Paturzo，V.Bianco,A.Finizio,A.Pelagotti,P.Poggi,L.Miccio,and,P.Ferraro,“Imaging live humansthrough smoke and flames using far-infrared digital holography,”Opt.Express21,5379-5390(2013).)，但其无法克服散射效应的影响，而且其需要体积大、成本昂贵的10.6um的相机及高功率激光器，限制了其在火场环境下的使用。G.Berkovic等人利用405nm的单激光三角测量方法实现天然气火焰下的成像(G.Berkovic and E.Shafir,“Opicalmethods for distance and displacement measurements,”Adv.Opt.Photon,4,441-471(2012).)，但是其成像范围仅局限于10mm到1m之间，无法实现大范围成像。
利用光学相干层析技术可以实现混浊介质的高分辨率、高灵敏度的非接触式层析成像。光学相干层析(Optical Coherence Tomography,OCT)是一种崭新的光学成像方式，它可以实现高分辨、非侵入性层析成像方法。OCT成像技术为相干探测技术，通过相干外差探测，可以有效地提高系统的探测灵敏度，提升探测距离。而利用OCT技术特有的相干门控技术把其他散射光排除在外，最大限度地降低杂散射光对探测的影响，从而实现烟雾环境下的高分辨成像。但是传统的OCT技术主要应用于生物医学成像，其分辨率较高(在～um)，但其成像距离短(～mm)，无法直接应用于火场环境下的大尺度成像，尤其是大型建筑物火灾环境的三维激光成像需求。
发明内容
为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种基于光学相干层析技术的火灾现场复杂环境激光三维成像方法，通过超窄线宽激光器产生窄线宽激光，利用声光调制器对激光进行周期性的移频，实现宽光谱的扫频激光输出，从而可以利用光学相干层析技术的纵向层析能力有效消除烟雾及火焰对激光的吸收及散射效应，实现对火灾现场烟雾及火焰环境下的高分辨率、高灵敏度成像，该设备及方法具有成像距离远、成像分辨率高、成像灵敏度高的特点。
本发明采用的技术方案为：一种基于光学相干层析技术的火灾现场复杂环境激光三维成像方法，该方法利用的设备包括：
超窄线宽激光器，配置为输出超窄线宽激光；
基于声光调制器的波长扫频装置，由第一光纤准直器，半波片，偏振分光器，透镜，第一光阑，声光调制器，扫描透镜，第二光阑，四分之一波片，反射镜，射频功率放大器，直接数字频率合成器，第二光纤准直器，光功率放大器组成，配置为按时间序列对声光调制器加载不同的频率，利用声光调制器对超窄线宽激光进行波长扫描，获得按时间序列输出的宽光谱激光；
第一光纤耦合器，配置为对扫频光进行分离；
光纤环行器，配置为对前向光及反射光进行分离；
第三光纤准直器，配置为将光纤输出的光准直成平行光；
二维扫描单元，配置为对激光进行两维偏转，形成不同角度的出射光；
光学变焦单元，配置为对平行光进行可变焦距的聚焦；
第二光纤耦合器，配置为对两束进行干涉，输出干涉光信号；
平衡探测器，配置为对干涉信号进行平衡探测；
计算机，配置为对系统进行配置并地干涉信号进行采集、处理及显示；
该方法包括：超窄线宽激光器产生超窄线宽激光，经第一光纤准直器后进入半波片，由半波片进行偏振态调整形成线偏振光后经透镜，偏振分光器，第一光阑后进入声光调制器，由计算机控制直接数字频率合成器产生频率扫频信号，由射频功率放大器放大后驱动声光调制器对超窄线宽激光进行频率变换，不同频率的光按不同出射角经扫描透镜，第二光阑，四分之一波片后入射到反射镜，由反射镜反射的光经原路回到偏振分光器，偏振分光器将经过四分之一波片调制后的偏振光反射到第二光纤准直器，由第二光纤准直器耦合后进入光功率放大器放大，从而获得按时间序列输出的宽光谱激光，该激光经第一光纤耦合器后分成两束，一束经光纤环行器，第三光纤准直器，二维扫描单元，光学变焦单元后聚焦于目标，目标的反射光经原路回到光纤环行器后进入第二光纤耦合器，另一束光直接进入第二光纤耦合器，两束光在第二光纤耦合器中进行干涉，干涉信号由平衡探测器探测并转换成电信号，由计算机进行采集、处理及显示，利用光学相干层析技术实现对火灾现场复杂环境下的激光三维成像。
所述的基于光学相干层析技术的火灾现场复杂环境激光三维成像方法，使用声光调制器对输入激光进行移频调制，声光调制器加载不同频率可以获得不同频率的激光输出。
所述的基于光学相干层析技术的火灾现场复杂环境激光三维成像方法，使用直接数字频率合成器对声光调制器的载频进行周期性控制，通过周期性改变的频率驱动声光调制器将窄线宽激光调制成不同频率的激光，实现对激光波长的周期性调制及控制。
所述的基于光学相干层析技术的火灾现场复杂环境激光三维成像方法，可以利用两个及以上基于声光调制器的光学扫频装置进行串联使用，实现宽光谱的激光扫频输出。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)火灾复杂环境下产生的烟雾是一种激光混浊介质，本发明通过利用光学相干层析技术的“相干门控”，“相干放大”技术，可以有效降低火灾复杂环境下产生的烟雾、火焰对激光三维成像的影响，可以实现远距离、高分辨、高灵敏度的激光三维成像。
(2)本发明通过声光调制器，将超窄线宽激光按时间进行周期调制，可以获得高相干性、宽光谱的激光扫频输出，可以实现远距离、高分辨率光学相干层析成像。
(3)本发明通过直接数字频率合成器与声光调制器高效协同工作，可以实现精细波长调谐输出，具有速度快，分辨率高的特点，可以实现高速光学相干层析成像。
附图说明
图1是本发明一种基于光学相干层析技术的火灾现场复杂环境激光三维成像方法利用的设备结构示意图。
图中：1为超窄线宽激光器，2为基于声光调制器的波长扫描装置，201为第一光纤准直器，202为半波片，203为偏振分光器，204为透镜，205为第一光阑，206为声光调制器，207为扫描透镜，208为第二光阑，209为四分之一波片，210为反射镜，211为第二光纤准直器，212为光功率放大器，213为射频功率放大器，214为直接数字频率合成器，3为第一光纤耦合器，4为光纤环行器，5为第三光纤准直器，6为二维扫描单元，7为光学变焦单元，8为第二光纤耦合器，9为平衡探测器，10为计算机。
具体实施方式
以下将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的详细描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
如图1所示，本发明一种基于光学相干层析技术的火灾现场复杂环境激光三维成像方法，该方法利用的设备包括超窄线宽激光器1，基于声光调制器的波长扫描装置2，光纤环行器4，第三光纤准直器5，二维扫描单元6，光学变焦单元7，第二光纤耦合器8，平衡探测器9和计算机10。光纤环行器4，配置为对前向光及反射光进行分离。基于声光调制器的波长扫描装置2由第一光纤准直器201，半波片202，偏振分光器203，透镜204，第一光阑205，声光调制器206，扫描透镜207，第二光阑208，四分之一波片209，反射镜210，第二光纤准直器211，光功率放大器212，射频功率放大器213和直接数字频率合成器214组成。超窄线宽激光器1产生超窄线宽激光，经第一光纤准直器201后进入半波片202，由半波片202进行偏振态调整形成线偏振光后经偏振分光器203，透镜204，第一光阑205，后进入声光调制器206，由计算机10控制直接数字频率合成器214产生频率扫频信号，由射频功率放大器213放大后驱动声光调制器206对超窄线宽激光进行频率变换，不同频率的光按不同出射角经扫描透镜207，第二光阑208，四分之一波片209后入射到反射镜210，由反射镜10反射的光经原路回到偏振分光器203，偏振分光器203将经过四分之一波片209调制后的偏振光反射到第二光纤准直器211，由第二光纤准直器211将平行光耦合进光纤后进入光功率放大器212放大，从而获得按时间序列输出的宽光谱激光，该激光经第一光纤耦合器3后分成两束，一束经光纤环行器4，第三光纤准直器5，二维扫描单元6，光学变焦单元7后聚焦于目标，目标的反射光经原路回到光纤环行器4后进入第二光纤耦合器8，另一束光直接进入第二光纤耦合器8，两束光在第二光纤耦合器8中进行干涉，干涉信号由平衡探测器9探测并转换成电信号，由计算机10进行采集、处理及显示，实现对火灾现场复杂环境下的激光三维成像；
超窄线宽激光器1被配置为中心波长λ为1064nm，线宽为1KHz的激光器，可用公式(1)：
E＝Ae-iωt (1)
进行表示，其中该激光通过光纤进入到第一光纤准直器201中准直成平行光，然后进入半波片202，通过调整半波片，使激光成为一种线偏振光，假设其为o光，然后进行到偏振分光器203，该偏振分光器调置为o光全透。因为，绝大部分的激光经透镜204和第一光阑205后聚焦于声光调制器206。
声光调制器工作在布喇格衍射方式，可以在中心频率350MHz，扫描带宽为+/-100MHz范围内对超窄线宽激光进行移频，直接数字频率合成器214由计算机10控制，该直接数字频率合成器产生的频率经射频功率放大器213放大后驱动声光调制器，由声光调制器对入射激光进行波长调谐，声光调制器入射光与出射光的关系可用公式(2)表示：
ωo＝ωi+ωs (2)
其中，ωo为出射光圆频率，ωi为超窄线宽激光器输出的圆频率，ωs为声光调制器的圆频率。经过声光制器后，不同的频率以不同的衍射角出射，经扫描透镜207，第二光阑208，四分之一波片209后入射到反射镜，反射镜的反射光经原路回到偏振分光器。
反射光经声光调制器后，由声光调制器对其再进行一次频率调谐。因此，反射光经声光调制器后，其圆频率可以表示为：
ωf＝ωi+2ωs (3)
其中，ωf为经过声光调制器两次调制后出射光圆频率，ωi为超窄线宽激光器输出的光频率，ωs为声光调制器的圆频率。
而四分之一波片209也对激光进行两次偏振态调整。反射光经过四分之一波片209后由最初的o光变成p光。因此，反射光可以由偏振分光器203反射至第二光纤准直器211后耦合至光纤，再由光功率放大器212对光功率进行放大。
而通过周期性地调整声光调制器的驱动频率，可以获得周期性的波长调谐。通过周期性的加载250MHz至450MHz的频率信号，可以获得400MHz带宽的波长调谐范围。从而实现了激光的周期性扫频输出。
获得的光学相干层析成像的纵向分辨率可用公式(4)计算：
其中c为光速，Δf为声光调制器的频率范围。
而激光器的输出线宽为1KHz，理论上的纵成像范围可用公式(5)计算：
因此，通过超窄线宽激光器输出超窄线宽激光，通过声光调制器周期性的频率调制，可以实现光学相干层析技术所需要的扫频激光输出，然后利用光学相干层析技术，可以实现远距离、高灵敏度、高分辨率的成像，满足火灾现场复杂环境下的激光三维成像需求。
在此需要指出的是，尽管图1示出的，一种基于光学相干层析技术的火灾现场复杂环境激光三维成像方法利用的设备的具体配置，但是本公开不限于此。本领域技术人员能够想到多种其他不同配置。图1示出的光学部件仅仅是示例性的，本领域技术人员可以为具体目的而设置/替换/去除相应的光学部件。例如，为了调整光路，可以增加/去除一个或多个反射镜、透镜等。本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
以上是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (4)
1.一种基于光学相干层析技术的火灾现场复杂环境激光三维成像方法，其特征在于：该方法利用的设备包括：
超窄线宽激光器(1)，配置为输出超窄线宽激光；
基于声光调制器的波长扫频装置(2)，由第一光纤准直器(201)，半波片(202)，偏振分光器(203)，透镜(204)，第一光阑(205)，声光调制器(206)，扫描透镜(207)，第二光阑(208)，四分之一波片(209)，反射镜(210)，射频功率放大器(213)，直接数字频率合成器(214)，第二光纤准直器(211)和光功率放大器(212)，配置为按时间序列对声光调制器加载不同的频率，利用声光调制器对超窄线宽激光进行波长扫描，获得按时间序列输出的宽光谱激光；
第一光纤耦合器(3)，配置为对扫频光进行分离；
光纤环行器(4)，配置为对前向光及反射光进行分离；
第三光纤准直器(5)，配置为将光纤输出的光准直成平行光；
二维扫描单元(6)，配置为对激光进行两维偏转，形成不同角度的出射光；
光学变焦单元(7)，配置为对平行光进行可变焦距的聚焦；
第二光纤耦合器(8)，配置为对两束进行干涉，输出干涉光信号；
平衡探测器(9)，配置为对干涉信号进行平衡探测；
计算机(10)，配置为对系统进行配置并地干涉信号进行采集、处理及显示；
该方法包括：超窄线宽激光器(1)产生超窄线宽激光，经第一光纤准直器(201)后进入半波片(202)，由半波片(202)进行偏振态调整形成线偏振光后经透镜(204)，偏振分光器(203)，第一光阑(205)后进入声光调制器，由计算机(10)控制直接数字频率合成器(214)产生频率扫频信号，由射频功率放大器(213)放大后驱动声光调制器(206)对超窄线宽激光进行频率变换，不同频率的光按不同出射角经扫描透镜(207)，第二光阑(208)，四分之一波片(209)后入射到反射镜(210)，由反射镜(210)反射的光经原路回到偏振分光器(203)，偏振分光器(203)将经过四分之一波片(209)调制后的偏振光反射到第二光纤准直器(211)，由第二光纤准直器(211)耦合后进入光功率放大器(212)，从而获得按时间序列输出的宽光谱激光，该激光经第一光纤耦合器(3)后分成两束，一束经光纤环行器(4)，第三光纤准直器(5)，二维扫描单元(6)，可变焦扫描透镜后聚焦于目标，目标的反射光经原路回到光纤环行器(4)后进入第二光纤耦合器，另一束光直接进入第二光纤耦合器(8)，两束光在第二光纤耦合器中进行干涉，干涉信号由平衡探测器(9)探测并转换成电信号，由计算机(10)进行采集、处理及显示，利用光学相干层析技术实现对火灾现场复杂环境下的激光三维成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学相干层析技术的火灾现场复杂环境激光三维成像方法，其特征在于：使用声光调制器(206)对输入激光进行移频调制，声光调制器加载不同频率可以获得不同频率的激光输出。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学相干层析技术的火灾现场复杂环境激光三维成像方法，其特征在于：使用直接数字频率合成器(214)对声光调制器(206)的驱动频率进行周期性控制，通过周期性改变的频率驱动声光调制器将窄线宽激光调制成不同频率的激光，实现对激光波长的周期性调制及控制。
4.根据权利要求1所述的一种基于光学相干层析技术的火灾现场复杂环境激光三维成像方法，其特征在于：可以利用两个及以上基于声光调制器的波长扫频装置(2)进行串联使用，实现宽光谱的激光扫频输出。
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