高光譜成像激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程塑料識(shí)別

新研發(fā)的高光譜拉曼成像激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠在6米遠(yuǎn)的距離上檢測(cè)和識(shí)別多種類(lèi)型的塑料。圖中測(cè)試的塑料樣品上層為聚乙烯片，下層為聚丙烯片。

研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型高光譜拉曼成像激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程檢測(cè)和識(shí)別各種類(lèi)型的塑料。該技術(shù)通過(guò)提供更好的監(jiān)測(cè)和分析工具，有助于解決海洋塑料污染這一嚴(yán)峻問(wèn)題。日本激光技術(shù)研究所的研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Toshihiro Somekawa表示：“塑料污染對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)生計(jì)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，影響到漁業(yè)、旅游和航運(yùn)等行業(yè)。為管理和保護(hù)海洋環(huán)境，評(píng)估塑料碎片的大小、濃度和分布至關(guān)重要，但傳統(tǒng)的基于實(shí)驗(yàn)室的方法往往耗時(shí)、費(fèi)力且昂貴。”在《光學(xué)快報(bào)》期刊上，研究人員介紹了他們新型緊湊且優(yōu)化的低功耗系統(tǒng)，使其適合在無(wú)人機(jī)上使用。他們表明，該系統(tǒng)能以1毫米x150毫米的相對(duì)寬視場(chǎng)，識(shí)別6米外的塑料。

Somekawa說(shuō)：“配備我們激光雷達(dá)傳感器的無(wú)人機(jī)可用于評(píng)估陸地或海洋中的海洋塑料碎片，為更有針對(duì)性的清理和預(yù)防工作鋪平道路。該系統(tǒng)還可用于其他監(jiān)測(cè)應(yīng)用，如檢測(cè)危險(xiǎn)氣體泄漏。”實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)研究人員之前曾展示過(guò)一種基于閃光拉曼激光雷達(dá)技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中帶通濾波器與每個(gè)測(cè)量目標(biāo)相匹配，以連續(xù)方式進(jìn)行檢測(cè)。然而，這種技術(shù)對(duì)于檢測(cè)海洋塑料并不實(shí)用，因?yàn)榍袚Q濾波器會(huì)妨礙瞬時(shí)三維測(cè)距和檢測(cè)。

該原型高光譜拉曼成像激光雷達(dá)系統(tǒng)包括一個(gè)脈沖532納米綠色激光器和一個(gè)帶門(mén)控ICCD的二維成像光譜儀。其他研究小組也探索過(guò)使用高光譜拉曼成像來(lái)監(jiān)測(cè)塑料污染。該技術(shù)將拉曼光譜與成像相結(jié)合，以捕獲樣品中空間分辨的化學(xué)信息，生成分子組成和結(jié)構(gòu)的詳細(xì)圖譜。然而，傳統(tǒng)的高光譜拉曼成像只能檢測(cè)靠近儀器的目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)，研究人員將用于測(cè)距的激光雷達(dá)與高光譜拉曼光譜相結(jié)合。他們構(gòu)建了一個(gè)原型系統(tǒng)，其中包括用于激光雷達(dá)測(cè)量的脈沖532納米綠色激光器和配備門(mén)控增強(qiáng)型CCD(ICCD)的二維成像光譜儀。從遠(yuǎn)距離目標(biāo)反向散射的拉曼信號(hào)被檢測(cè)為垂直線，而每個(gè)點(diǎn)中記錄的水平方向包含高光譜信息。使用可在納秒時(shí)間尺度上進(jìn)行門(mén)控的ICCD相機(jī)對(duì)于實(shí)現(xiàn)具有精細(xì)距離分辨率的拉曼激光雷達(dá)測(cè)量至關(guān)重要。

距離分辨拉曼成像

Somekawa說(shuō)：“我們?cè)O(shè)計(jì)該系統(tǒng)可同時(shí)獲取圖像和光譜測(cè)量，由于每種塑料的拉曼光譜都是獨(dú)一無(wú)二的，因此成像信息可用于了解塑料碎片的空間分布和類(lèi)型，而由于脈沖激光能夠?qū)崿F(xiàn)距離分辨測(cè)量，因此可以從任何距離的目標(biāo)中獲取高光譜信息?！毖芯咳藛T在由上層聚乙烯片和下層聚丙烯片組成的塑料樣品上測(cè)試了他們的原型系統(tǒng)。在6米外，該系統(tǒng)能夠獲取每種塑料的特征光譜，并生成顯示塑料垂直分布的圖像。研究人員表示，在6米遠(yuǎn)的距離上，使用ICCD相機(jī)的成像像素大小為0.29毫米，這意味著可以使用高光譜拉曼成像激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量和分析小型塑料碎片。接下來(lái)，研究人員計(jì)劃使用他們的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)漂浮或浸沒(méi)在水中的微塑料。這應(yīng)該是可行的，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)約為532納米的激光能有效穿透水，從而在水生環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更好的檢測(cè)。

審核編輯 黃宇