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(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)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(yán)峻問題。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：“塑料污染對海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類生計(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毫米的相對寬視場，識別6米外的塑料。

Somekawa說：“配備我們激光雷達(dá)傳感器的無人機(jī)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(xiǎn)氣體泄漏?！睂?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(dá)技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，其中帶通濾波器與每個(gè)測量目標(biāo)相匹配，以連續(xù)方式進(jìn)行檢測。然而，這種技術(shù)對于檢測海洋塑料并不實(shí)用，因?yàn)榍袚Q濾波器會(huì)妨礙瞬時(shí)三維測距和檢測。

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(xì)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(biāo)。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測，研究人員將用于測距的激光雷達(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)測量的脈沖532納米綠色激光器和配備門控增強(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被檢測為垂直線，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)行門控的ICCD相機(jī)對于實(shí)現(xiàn)具有精細(xì)距離分辨率的拉曼激光雷達(dá)測量至關(guān)重要。

距離分辨拉曼成像

Somekawa說：“我們設(shè)計(jì)該系統(tǒng)可同時(shí)獲取圖像和光譜測量，由于每種塑料的拉曼光譜都是獨(dú)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(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)測量和分析小型塑料碎片。接下來，研究人員計(jì)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?yàn)椴ㄩL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。

審核編輯 黃宇