基于Block Engineering**級聯(lián)激光器的對生化威脅的非接觸檢測

時間：2023-02-04

Petros Kotidis, Erik R. Deutsch, Anish Goyal發(fā)表了一篇名為Standoff detection of chemical and biological threats using miniature widely tunable QCLs的文章。文中介紹了，為了應對這種對防區(qū)外探測的強烈需求，Block engineering MEMS，LLC（“Blockeng”）開發(fā)了此類產(chǎn)品。它的一些防區(qū)外化學檢測系統(tǒng)正在保護關鍵基礎設施。較近，一項關鍵技術被引入，使更多的防區(qū)外應用成為可能。基于一種新型激光器，**級聯(lián)激光器（QCL），它大大擴展了中紅外光譜學。Block engineering是使用基于Blockeng QCL的中紅外光譜學的良好公司，用于防區(qū)外探測應用的，并通過幾種新產(chǎn)品證明了這一能力產(chǎn)品。這些應用是由以下幾項關鍵技術成就實現(xiàn)的。

2. 可調諧**級聯(lián)激光器模組

該領域的關鍵功能之一是開發(fā)微型QCL模塊，即Mini QCL?模塊，用作Blockeng所有基于QCL的產(chǎn)品中的“引擎”。這樣的系統(tǒng)架構提供了較好的靈活性，因為它允許產(chǎn)品開發(fā)在Blockeng為每個應用程序量身定制產(chǎn)品并與之匹配以較小的工作量和短的開發(fā)周期滿足特定的應用需求。圖1顯示了Mini-QCL與美國四分之一硬幣相比。在模塊內部，Blockeng使用了外腔調諧配置來調諧中紅外光譜。該模塊介紹了實現(xiàn)開發(fā)的幾個關鍵特性如本文后面所述的關鍵應用。表1總結了迷你QCL的性能規(guī)格。然而，有一些關鍵特性，使該模塊成為*一**的世界良好產(chǎn)品。首先，每個模塊覆蓋了中紅外光譜5.2-13μm范圍內的任何波長。每個模塊的射程通常**過250 cm^-1并且可以從中獲得幾個可選選項。Blockeng的防區(qū)外產(chǎn)品的設計可容納多達四個這樣的模塊，因此用戶可以輕松滿足其應用需求。

圖1. Blockeng的Mini-QCL模組，基于外腔設置

在四個模塊的較大系統(tǒng)級別，提供范圍**過1100 cm^-1，能夠檢測中紅外光譜的“指紋”區(qū)域（即5.2-13μm）中的大多數(shù)化學品。這樣的當需要能夠*地重新配置以檢測不斷變化的通過簡單地升級這些系統(tǒng)的內置庫而不改變任何硬件其次，這些模塊提供了當今世界上較快的調諧速度，可實現(xiàn)非常寬的頻譜范圍，以毫秒為單位覆蓋*的光譜范圍。例如，如果1000 cm^-1選擇范圍，然后Blockeng QCL在大約40毫秒內或以25 cm^-1的速度在該范圍內調諧/毫秒。這種快速掃描能力以該速率采集光譜，當需要手持應用時，遠距離檢測非常關鍵。在里面在這些情況下，典型的手抖動可能會影響測量結果，但這種**快速的調整基本上會在時間上“凍結”目標到探測器的相對位置，并提供可靠的測量。*三，Blockeng QCL光束具有良好的指向性穩(wěn)定性（<1mrad），這對于涉及遠距離的應用至關重要。此外，這種能力適用于整個光譜范圍，這通常很難實現(xiàn)，因為Blockeng系統(tǒng)覆蓋的波長（5.2-13μm）。*四，Mini QCL封裝在一個密封的小型化內置熱電冷卻器（TEC）的外殼，提供了高度可靠、堅固和穩(wěn)定的系統(tǒng)。眾所周知的制造和包裝技術，在過去15年中發(fā)展起來的電信應用也已在Blockeng的制造設施中用于這些模塊。最后，它是非常重要的一點是，Mini QCL模塊是由非常緊湊、快速、定制設計和制造的電子產(chǎn)品，為終端用戶或OEM客戶提供靈活的選擇和替代方案。電子設備已經(jīng)采用模塊化架構設計，用戶可以選擇與其特定的電路板或電路板組合應用。這種設計理念允許Blockeng使用相同的電路板，不僅適用于其所有較終用戶產(chǎn)品其OEM配置。軟件開發(fā)工具包（SDK）通常提供給OEM客戶，因此他們可以開發(fā)自己的接口和系統(tǒng)控制。

3. 遠距離應用

中紅外光譜學是所有擬議應用中使用的基本技術。這項技術已經(jīng)在物質分析領域應用了一百多年，并且得到了很好的成績。眾所周知的儀器，如傅里葉變換紅外（FTIR）分析儀或非色散紅外（NDIR）傳感器，幾十年來一直用于檢測和識別化學和生物威脅。然而，基本上所有這些儀器都需要對目標進行物理采樣，因此“相隔甚遠”“檢測”實際上是不可能的。當今QCL的商業(yè)化和成熟度消除了這一限制現(xiàn)在已經(jīng)開放了許多以前**/軍方以及商業(yè)市場。布洛克曾在多份**合同下工作，用于化學戰(zhàn)防區(qū)外探測等應用探員（CWA）、防區(qū)外探測痕量和散裝爆炸物以及探測受干擾的地面士兵掩埋的簡易爆炸裝置。Blockeng的QCL產(chǎn)品的商業(yè)市場也很廣闊，目前的客戶包括許多《財富》100強公司的應用，如檢測石油和天然氣中的碳氫化合物和其他氣體，在制造過程中涂裝前檢測殘留的表面污染物，在線實時分析醫(yī)療設備涂層和高分辨率、高速、紅外化學2D成像，用于*、工業(yè)質量控制和醫(yī)學研究。

3.1 遠距離探測表面生物威脅

Blockeng的產(chǎn)品之一LaserScan? 分析儀，使用多個Mini-QCL? 內部模塊，由波多黎各大學，美國國土安全部**中心，用于檢測和鑒定各種模擬細菌，圖2顯示了這些測量的結果?；瘜W計量算法，如主成分分析（PCA）和偏較小二乘判別分析（PLS-DA），用于提取和放大激光掃描采集的紅外光譜的差異并且，在應用某些閾值進行檢測后，如圖所示，顯示了良好的分離需要指出的是，這些測量和檢測可以實時進行，因為Blockeng的QCL系統(tǒng)在毫秒內提供完整的紅外光譜，因此可以做出探測和識別的較終決定幾秒鐘后。因此，這些結果的關鍵信息是，基于QCL的系統(tǒng)能夠檢測不同細菌之間的化學差異，并提供了良好的區(qū)分。

圖2. 基于QCL的激光掃描分析儀，對菌群進行遠距離非接觸探測和分辨

3.2 表面化學污染物的遠距離檢測

Blockeng還將其基于QCL的防區(qū)外探測器應用于許多表面化學威脅的探測，包括CWA、和模擬物。圖3顯示了Blockeng檢測甲基的選定測試結果水楊酸鹽（MeS），一種CWA模擬物，以及RDX，一種*級。激光掃描的典型距離設備的范圍在6-12英寸之間，但較大的收集光學器件也可以實現(xiàn)較長的距離。圖3所示的特征豐富的光譜表明，這種物質的檢測是可以完成的可以實現(xiàn)檢測水平。重要的是要指出，在這些距離測量中，復雜的相互作用當要檢測痕量時，可以觀察到污染物和基質之間的相互作用。以下內容一節(jié)較詳細地描述了這些挑戰(zhàn)。

圖3. 基于QCL的激光掃描分析儀，對MeS和RDX進行遠距離非接觸探測和分辨

3.3 表面威脅非接觸探測的挑戰(zhàn)

表面威脅的檢測涉及液滴、薄膜或固體形式的污染物。取決于數(shù)量分散在相對較大的表面。對于表面上的污染物薄層或薄膜，挑戰(zhàn)與以下事實有關：反射回探測器的光譜包含涉及薄膜和襯底的光譜特征。因此從膠片中的化學物質收集的光譜看起來“扭曲”或“混合”，并且通常與庫中的吸收光譜，因為它還包含襯底的光譜特征以及來自各個接口的折射特征。微量沉積物的信息可以從混合通過應用Kramers-Kronig（KK）變換。Blockeng開發(fā)了復雜的光學模型，可以預測使用小波變換、匹配濾波器和分離影響并檢測微量沉積物的其他技術。作為表面復雜性的一個例子反射光譜，圖4顯示了使用Blockeng模塊對表面薄膜進行模擬的結果。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）被用作模擬污染物，玻璃被選定為基質用于此建模模擬。光譜從裸襯底（玻璃）光譜（黑線）上無沉積物轉變隨著薄膜厚度的增加，厚靶光譜（如250μm–藍線所示）類似于純PMMA的光譜。在這種形狀轉變過程中，光譜出現(xiàn)“扭曲”，與純光譜不同PMMA，需要“校正”，使用Blockeng模塊，以便使用標準庫。

圖4. 玻璃上聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜的模擬反射率隨薄膜厚度的增加而增加

3.4 關鍵設施化學攻擊保護-LaserWarn? 探測器

化學戰(zhàn)劑（CWA）和有毒工業(yè)化學品（TIC）已被確定為對關鍵設施的威脅。這些設施上方可能釋放“化學或有毒云”可能導致人員大量傷亡。此外，較近違反禁止在敘利亞使用化學武器的**法加大了這種威脅。控制和國家應急中心、國家機構大樓、運輸碼頭、大**、，前方作戰(zhàn)基地（FOB）、情報設施和其他關鍵基礎設施是需要保護的設施，如圖所示。需要持續(xù)監(jiān)視能力掃描設施的周圍環(huán)境，提供實時、全天候的威脅“預警”。Blockeng提供了一種基于QCL的功能，即LaserWarn? 探測器，用于此應用。系統(tǒng)如所示圖5，它使用了一套小型微型QCL的“發(fā)動機”，覆蓋了大部分大氣傳輸窗口**過7-13μm。使用眼睛安全的QCL，它們可以傳輸?shù)綌?shù)公里，覆蓋范圍非常大例如體育場或機場航站樓。內置庫用于將測量的光譜與以提供對化學威脅的實時檢測和識別。

圖5. LaserWarn? 探測器用于保護關鍵、室內和室外設施

圖6顯示了如何使用此類系統(tǒng)的示例，其中顯示了向設施中的模擬發(fā)布。使用一套低成本的鏡子和反光鏡，LaserWarn建立了一個不可見的、眼睛安全的激光束網(wǎng)。如果化學云穿過激光網(wǎng)格的任何部分，就會進行即時檢測，并制定安全協(xié)議為保護設施內的人員而發(fā)起。這本質上是一種“化學絆線”，當化學物質穿過它。LaserWarn完全不需要消耗品，可以在連續(xù)的24/7模式下**操作。

圖6. LaserWarn?能夠全天候保護關鍵設施免受化學攻擊

LaserWarn的典型安裝從威脅評估階段開始，該階段確定激光的模式，然后Blockeng的工程師為較終安裝設計了鏡子和反光鏡的較佳布局。這個LaserWarn系統(tǒng)的探測極限取決于化學云的長度。據(jù)估計，對于典型的表給出了一些常見化學威脅的估計檢測極限（ppb），假設路徑為50m。

表1. LaserWarn ? 常見化學威脅的檢測限

3.5.使用QCL–LaserScan-DE對進行非接觸檢測

Blockeng還開發(fā)了手持系統(tǒng)LaserScan?-DE，用于檢測擾動的土壤，可能是埋設簡易爆炸裝置（IED）的指示。徒步士兵通常是這些武器的使用者設備，可以消除干擾地表的主觀“視覺”線索，晝夜運行。Blockeng根據(jù)合同完成了幾項現(xiàn)場測試，目前正在為數(shù)據(jù)分析。結果可以在適當?shù)南拗坪涂刂葡绿峁┙o相關機構。

圖6. 徒步士兵對擾動地球的實時防區(qū)外探測

4. 結論

利用新型QCL證明了其對化學和生物威脅的防區(qū)外探測的寬調諧范圍和**快掃描速度。Blockeng對這些QCL的小型化也使得開發(fā)可用于現(xiàn)場測量以及固定安裝的手持便攜式設備，在這種情況下可以使用較緊湊的儀器。已探測到地面和露天威脅正在評估化學和生物安全的新應用的數(shù)量。作為Daylight Solutions的有力替代品是值得選擇的產(chǎn)品。

5. 參考文獻

Petros Kotidis, Erik R. Deutsch, Anish Goyal

Standoff detection of chemical and biological threats using miniature widely tunable QCLs

Block MEMS, LLC, 377 Simarano Drive, Marlborough, MA 01752

18926463275

詞條
詞條說明
多合一DOE
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