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

研究人員開發(fā)了一種新型高光譜拉曼成像激光雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠遠程檢測和識別各種類型的塑料。該技術(shù)通過提供更好的監(jiān)測和分析工具，有助于解決海洋塑料污染這一嚴峻問題。日本激光技術(shù)研究所的研究團隊負責(zé)人Toshihiro Somekawa表示：“塑料污染對海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類生計構(gòu)成嚴重威脅，影響到漁業(yè)、旅游和航運等行業(yè)。為管理和保護海洋環(huán)境，評估塑料碎片的大小、濃度和分布至關(guān)重要，但傳統(tǒng)的基于實驗室的方法往往耗時、費力且昂貴。”在《光學(xué)快報》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)，使其適合在無人機上使用。他們表明，該系統(tǒng)能以1毫米x150毫米的相對寬視場，識別6米外的塑料。

Somekawa說：“配備我們激光雷達傳感器的無人機可用于評估陸地或海洋中的海洋塑料碎片，為更有針對性的清理和預(yù)防工作鋪平道路。該系統(tǒng)還可用于其他監(jiān)測應(yīng)用，如檢測危險氣體泄漏。”實現(xiàn)遠程檢測研究人員之前曾展示過一種基于閃光拉曼激光雷達技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，其中帶通濾波器與每個測量目標相匹配，以連續(xù)方式進行檢測。然而，這種技術(shù)對于檢測海洋塑料并不實用，因為切換濾波器會妨礙瞬時三維測距和檢測。

該原型高光譜拉曼成像激光雷達系統(tǒng)包括一個脈沖532納米綠色激光器和一個帶門控ICCD的二維成像光譜儀。其他研究小組也探索過使用高光譜拉曼成像來監(jiān)測塑料污染。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)的詳細圖譜。然而，傳統(tǒng)的高光譜拉曼成像只能檢測靠近儀器的目標。為實現(xiàn)遠程檢測，研究人員將用于測距的激光雷達與高光譜拉曼光譜相結(jié)合。他們構(gòu)建了一個原型系統(tǒng)，其中包括用于激光雷達測量的脈沖532納米綠色激光器和配備門控增強型CCD(ICCD)的二維成像光譜儀。從遠距離目標反向散射的拉曼信號被檢測為垂直線，而每個點中記錄的水平方向包含高光譜信息。使用可在納秒時間尺度上進行門控的ICCD相機對于實現(xiàn)具有精細距離分辨率的拉曼激光雷達測量至關(guān)重要。

距離分辨拉曼成像

Somekawa說：“我們設(shè)計該系統(tǒng)可同時獲取圖像和光譜測量，由于每種塑料的拉曼光譜都是獨一無二的，因此成像信息可用于了解塑料碎片的空間分布和類型，而由于脈沖激光能夠?qū)崿F(xiàn)距離分辨測量，因此可以從任何距離的目標中獲取高光譜信息。”研究人員在由上層聚乙烯片和下層聚丙烯片組成的塑料樣品上測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米遠的距離上，使用ICCD相機的成像像素大小為0.29毫米，這意味著可以使用高光譜拉曼成像激光雷達系統(tǒng)測量和分析小型塑料碎片。接下來，研究人員計劃使用他們的系統(tǒng)監(jiān)測漂浮或浸沒在水中的微塑料。這應(yīng)該是可行的，因為波長約為532納米的激光能有效穿透水，從而在水生環(huán)境中實現(xiàn)更好的檢測。

審核編輯 黃宇