面向非接觸酒駕排查的紅外激光酒精氣體檢測技術研究

關鍵詞：非接觸，紅外激光氣體檢測，酒駕檢測設備，實驗室場景，實路場景

0引言

近年來，酒駕醉駕導致的交通安全事故率居高不下，酒駕醉駕人員沖卡逃罰等危險行為時有發生。自2011年酒駕入刑以來，公安交管部門致力于不斷提高酒駕排查效率，保障酒駕安全執法水平，在技術層面進行了諸多嘗試。目前，酒駕排查主要采用血液化驗、呼氣檢測等接觸式方法。現有排查方式仍存在警力需求大、排查方式單一、排查效率較低等問題。

為突破接觸式酒駕排查技術，解決排查效率以及執法安全問題，近年來國內外科研院所、研究機構及相關技術企業積極開展非接觸式氣體檢測技術研究。公共安全領域的非接觸式氣體檢測技術在國外相對起步較早，主要采用紅外激光檢測技術。在天然氣檢測領域，紅外激光檢測技術已有成熟應用，主要包括非色散紅外氣體檢測、紅外光聲光譜氣體檢測、紅外氣體成像、中紅外激光氣體檢測等方案。在酒精氣體檢測領域，國內外研究者分別從酒精的紅外光譜吸收特性、消除水汽等干擾因素的激光探測方法等方面開展研究。

在國外，俄羅斯激光系統公司與俄羅斯波羅的海軍事機械國家理工大學的AnotolyS.Boreysho教授于2007年聯合研發了Alcolaser酒精檢測儀，該檢測儀的酒精蒸氣檢測下限為1ppm[1]。加拿大多倫多大學和加拿大酒精檢測系統公司于2014年開展了基于波長調制差分光熱輻射測量的酒精蒸氣檢測方法研究，并展示了開發便攜式酒精點火聯鎖傳感器的潛力[2]。波蘭軍事科技大學光電研究所JaroslawMlynczak教授于2016年研究了基于3.45μｍ和3.59μｍ的ICL激光器的激光酒精檢測系統[3]，該系統的酒精檢測下限達到了0.1mg/dm3。美國加利福尼亞大學于2016年研制了一種新型酒精檢測傳感器，該傳感器可直接貼在皮膚上，不僅可以檢測人體血液中的酒精含量，還可以把檢測結果傳輸給其他日常電子設備[4]。

在國內，華中科技大學于2015年開展了固定式透射型激光酒駕測試裝置原理樣機的搭建和性能測試，該裝置采用980nm半導體激光器和差分放大電路實現了乙醇濃度的檢測[5]；于2019年研發出適用于近紅外和中紅外激光氣體檢測系統的量子點紅外探測器[6]；于2024年開展基于機器學習的多組分目標氣體檢測方法研究，實現多組分目標氣體的光譜分離和混合氣體中各組分氣體濃度檢測。長春理工大學和北京空間機電研究所于2019年開展了雙譜段定波長激光酒駕探測方法的研究，針對酒精蒸氣和水蒸氣在1392.5nm處吸收峰部分重合的問題，通過引入1409.5nm激光檢測水蒸氣濃度，將水蒸氣的吸收干擾剔除來提升酒精濃度檢測準確度，檢測下限達到30ppm[7]。青島市光電工程技術研究院于2022年采用3.345μｍ波段的酒精特征吸收峰作為特征數據并結合二次諧波算法進行氣體測量，酒精氣體的檢測下限達到50mg/100mL[8]。整體上看，當前激光酒駕檢測仍處于技術研究階段，缺乏具體產品或系統方面的研制和系統測試驗證。

因此，為創新公安交管酒駕排查方法、提升酒駕排查便捷性及安全性，項目組擬開展基于紅外探測的酒駕檢測設備關鍵性能指標研究，探索酒駕檢測紅外探測的集成技術，研制非接觸式一體化酒駕檢測裝備。

1關鍵技術研究

本文基于對酒精氣體的光譜吸收特性及紅外氣體檢測原理，結合酒駕檢測的特定應用場景需求，開展基于可調諧激光吸收光譜（TDLAS）系統的紅外酒駕檢測關鍵技術研究。

1.1原理分析

紅外氣體成像是較為成熟且被廣泛應用的測量技術，其基本原理在于絕對零度以上的物體都會發出紅外光。紅外熱成像技術就是通過吸收目標物體輻射的紅外光，然后將光信號轉換為電信號，即將肉眼不可見的紅外輻射轉換為可視圖像的。同時，紅外大氣窗口有3個波段：1～3μm（短波）、3～5μm（中波）和8～14μm（長波）。紅外熱成像通常工作在中波紅外和長波紅外2個波段。

中紅外光譜波長范圍為3.0μm～5.0μm，包含2個主要的大氣傳輸窗口（3～5μm和8～12μm區域），大氣中主要成分對其吸收非常低，因此中紅外光可以在大氣中實現遠距離傳播，目前已被廣泛應用于國防、自由空間通信等領域。中紅外氣體檢測的基本原理是光源發出一定波長的紅外光通過待測氣體，氣體對紅外光產生特定波長的吸收，探測器接收到紅外光后通過軟件算法將對應波長的光信號變化轉換為待測氣體的濃度。不同氣體對中紅外激光的吸收峰位置不同，因此能夠實現不同氣體的濃度測量（如圖1）。

根據對酒精氣體在中紅外波段的吸收譜線研究發現，酒精氣體在中紅外波段3.345μm處具有強吸收峰（如圖2），與其他氣體譜線重疊少，適合高靈敏、長距離、多氣體檢測。因此，對于酒精氣體檢測的紅外探測，本文采用中紅外波段開展研究。

1.2結構設計

根據對傳統氣體檢測技術應用系統的國內外現狀調研，本文選用TDLAS系統作為中紅外激光遙感探測系統的基礎結構。該系統特點是：（1）高選擇性、高分辨率，由于分子光譜的唯一性特征，它不受其他氣體的干擾；（2）通用性強，系統對所有在紅外存在吸收的分子都能進行有效測量；（3）速度快、靈敏度高，時間分辨率可以達到ms級。該系統主要包括激光器、探測器、信號調理電路、微處理器、電源和溫度控制模塊等組件，考慮通過嵌入式系統將該系統小型化。

為實現系統小型化，作為系統核心部件，激光器部分采用分布式反饋激光器（即DFB激光器，屬于半導體激光器），該類激光器在乙醇氣體吸收譜線附近連續可調且具有成本低、調制頻率高及輸出功率高的優勢；探測器部分則采用PIN光電二極管，為有效保證信噪比選取較高響應系數和較低噪聲功率的光電二極管；作為系統連接部分，電路部分通過PCB板設計進行小型化。系統設計原理圖如圖3。

1.3樣機集成

針對漫反射光路信號弱、干擾強（日光、其他物體反射光）的問題，項目組通過耦合透鏡組合從而實現高耦合效率、抗干擾光路構建的目標。光學收發系統由光學接收透鏡、測量激光器、瞄準激光器、背景反射物、窄帶濾光片和光電探測器組成；針對中紅外半導體激光器發熱量大，造成波長漂移、發光效率低等問題，突破傳統的獨立溫控設備存在體積大、成本高、重量大等局限，擬采用集成溫控組件實現激光器溫度的自適應控制；為保證氣體檢測系統的穩定性及準確性，以激光器波長鎖定算法、二次諧波提取算法、高靈敏及大量程兼顧算法為基礎算法框架。整體上，本文以TDLAS結構、高耦合效率和抗干擾光路、激光器/探測器驅動調理電路和算法為整體技術框架開展紅外激光酒精氣體檢測設備研制集成。

根據紅外激光酒精氣體檢測設備的軟硬件設計技術框架，項目組對紅外激光酒精氣體檢測設備關鍵元器件進行集成化處理，設計形成了紅外激光酒精氣體檢測設備樣機。設備樣機前蓋用于保護設備鏡頭，使用時取下；握把內為電池倉；參考綠光模組用于指示測量位置，激光發射模組為發射中紅外激光用于測量，接收模組用于接收反射的帶有乙醇濃度信息的中紅外激光，測量時按動下方扳機即可開啟、關閉測量，樣機結構如圖4。

2測試驗證

2.1仿真模擬

基于系統的硬件組件、調理電路及核心算法，開展酒精遙測系統的搭建。首先，項目組通過對原始信號進行數據采集導出，用MATLAB軟件進行軟件數字濾波仿真，進行數據提取，定性分析產品的基本性能及測試原理。該測試在測試距離為2米，反光板反射率為65%的條件下開展，仿真測試平臺搭建結構見圖5。

在模擬測試過程中，探測器接收到光學信號后轉化為模擬電信號，處理器進行實時的數據采集，得到數字信號數據后進行導出，將數字信號通過MATLAB軟件進行數字濾波仿真，其仿真結果如圖6所示。

通過對上圖中仿真結果的分析，原始信號采集完整，整體數據可用于仿真分析。在MATLAB程序中設計IIR低通濾波器，將參數調整至最佳參數，進行數字鎖相后，得到一次諧波與二次諧波提取數據。通過二次諧波數據可以看到，酒精氣體吸收峰位置明顯，峰值清晰可辨。仿真結果分析表明，酒精遙測系統項目方案實際可行，可覆蓋空氣中水汽的吸收信息，可用于進行波長信號標定，實現免校準設計。

2.2標準測試環境搭建

在紅外激光酒精氣體檢測設備樣機組裝調試過程中，項目組發現在酒精氣體測試時存在測試距離遠近無法兼顧的問題，設備在遠處進行調光時，近處存在測試盲區。結合酒駕排查的實際使用場景，后續驗證測試項目組均選擇在1～5m的測試距離進行測試。

基于對中紅外激光的光譜吸收特性分析，中紅外激光對于酒精氣體的透過性相對較差。為提高樣機驗證試驗結果的測試準確性及有效性，項目組在搭建測試環境時，考慮設計酒精氣體氣室作為標準測試環境。對于標準氣室的設計，項目組進行了多種材質的探索，分析結果見表1。

根據對不同材質的可行性分析比對發現，保鮮膜與藍寶石玻璃材質可用于中紅外激光酒精氣體檢測系統標準測試環境。但經項目組調研，市面上現有的藍寶石鏡片最大直徑為50mm，面積過小，不適用于紅外遙測設備的測試。因此，模擬測試環境采用自制標準氣室，透光窗口采用保鮮膜，標定氣室結構如圖7所示。

考慮酒駕排查的實際應用場景多樣性，為保證樣機驗證測試結果的有效性，項目組設計了不同結構的兩個標準氣室：1號標準氣室，立方體結構，正面光程28cm；2號標準氣室采用斜面設計，光程線性變化。其詳細尺寸見表2。

2.3實驗室測試驗證

設備樣機的測試平臺整體搭建于光學平臺上，左側框內為設備樣機，右側框內為標準氣室，測試距離為2m，實際測試時如圖8所示。測試時，樣機通過參考激光確定測量位置，使其位于測量氣室中央，保證光信號完整。通過向氣室中充入不同濃度的酒精氣體，進行參數標定與測試，氣室長度0.4m即為激光的光程長度。為避免酒精氣體濃度受壓力影響，測量氣室充入氣體時，應采用低氣流速度長時間充入的方式，來盡量保證氣室內部氣體置換完全（也可縮小氣室容積，來減少氣體置換時間）。氣體置換完成后，為保證測量過程中的穩定性，可保持待測氣體低流速充入，維持一個微正壓環境，來保持氣室內氣體濃度的穩定。

項目組選取0ppm*m、50ppm*m、100ppm*m、280ppm*m4種積分濃度作為測試目標，采集時間段數據，檢查數據的穩定性，數據采集周期為2Hz。實驗數據如圖9。

測試結果中0ppm*m的測試最大誤差為+12ppm*m，經項目組分析為光路畸變的偶然干擾，排除偶然因素，0ppm*m的積分濃度其余測試數值均與標準值保持一致。除0ppm*m的積分濃度以外，項目組對其余濃度進行平均值綜合分析，具體結果見表3。經對50ppm*m積分濃度、100ppm*m積分濃度、280ppm*m積分濃度變化曲線分析，項目組研究得到樣機在實驗室場景下對不同酒精氣體濃度的測試誤差不大于3ppm*m。

2.4實車場景測試驗證

目前，我國汽車尤其是小型客車的遮陽膜使用率隨著汽車市場的不斷擴大而逐年升高。汽車遮陽膜的作用以隔熱、防曬為主，而車內熱量來源主要是太陽中的紅外線，遮陽膜對紅外線的吸收阻隔作用會影響到紅外型酒檢設備正常工作。因此，實車場景測試時項目組為驗證分析不同型號遮陽膜對紅外波段的吸收影響程度，利用傅里葉紅外光譜儀對遮陽膜進行了中紅外波段（2500nm～20000nm）的透過率測試，驗證汽車遮陽膜對于紅外線的吸收/透過情況。

項目組選取了10種不同型號的汽車側擋遮陽膜，分別測試其在1100nm～1800nm波段紅外線的透過率，測試結果見圖10。根據測試結果分析，由于制作工藝、顏色深淺等原因，不同遮陽膜對1100nm～1800nm波段紅外線的平均透過率范圍從5%至90%，最低處可低至2%。

因此，汽車遮陽膜對紅外光的極低透過率會影響酒精氣體檢測過程中所使用的酒檢設備接收器的測試靈敏度和精度。為避免測試過程中遮陽膜導致的測試誤差，在實車場景測試中，項目組選擇開窗檢測方案進行驗證測試，實車測試場景見圖11。

實車測試時，以呼吸模擬器模擬駕駛人酒駕、醉駕狀態，密閉車內環境，測試距離根據實際場景設定為2m，采用紅外遙感酒駕排查設備測試不同酒精噴氣速率、不同測試時間下酒精氣體濃度情況，測試結果見表4。其中，為統一酒精氣體濃度測量單位，確保測試數據的一致性，根據國家標準GB19522—2024《車輛駕駛人員血液、呼氣酒精含量閾值與檢驗》規定的飲酒后和醉酒后駕車血液中的酒精含量閾值分別為20mg/100mL和80mg/100mL，將其換算為ppm*m，參考濃度分別為47ppm*m和188ppm*m。

根據實車場景測試數據分析，酒精檢測設備樣機對于0ppm*m的氣體濃度測試較為準確，對于不同測試時間、不同噴氣濃度的酒精氣體測試均未出現誤報情況；對于酒駕47ppm*m、醉駕188ppm*m的濃度測試時，隨著酒精氣體噴氣時間增加，車內酒精氣體含量不斷提高，酒精氣體濃度測試值不斷逼近標準設定值，但與標準值仍存在一定的誤差。誤差原因為實車場景影響要素較多元化，汽車內飾件的不同漫反射率、空調導致的空氣流動都會引起駕駛室內酒精氣體濃度變化。因此，在實車場景下，現階段紅外激光酒精氣體檢測設備測試的酒精氣體濃度值僅可作為駕駛室內酒精氣體的定性評估，判斷車內有無酒精氣體，并不能精準定量得到酒精氣體的濃度值。

3結語

本文主要聚焦面向非接觸酒駕排查的紅外激光酒精氣體檢測技術開展研究，區別于現有血液化驗、呼氣檢測等接觸式方法，紅外激光酒精氣體檢測設備可以實現非接觸酒精氣體檢測，解決酒駕現場排查效率以及執法安全問題。項目組基于酒精氣體的光譜吸收特性及紅外激光氣體檢測原理，搭建了以紅外半導體激光器、光電探測器、檢測光路、電路及算法為主體框架的設備樣機，在實驗室場景、實路場景開展驗證測試。實驗室場景下驗證結果為系統樣機對酒精氣體定量測試精度優于3ppm*m，實路場景下（開窗方案）驗證結果為系統樣機可實現定性判斷駕駛室內有無酒精氣體，雙重場景的驗證結果證明了紅外激光酒精氣體檢測技術的可行性。