高光谱成像激光雷达系统实现远程塑料识别

研究人员开发了一种新型高光谱拉曼成像激光雷达系统，该系统能够远程检测和识别各种类型的塑料。该技术通过提供更好的监测和分析工具，有助于解决海洋塑料污染这一严峻问题。

日本激光技术研究所的研究团队负责人Toshihiro Somekawa表示：“塑料污染对海洋生态系统和人类生计构成严重威胁，影响到渔业、旅游和航运等行业。为管理和保护海洋环境，评估塑料碎片的大小、浓度和分布至关重要，但传统的基于实验室的方法往往耗时、费力且昂贵。”

在《光学快报》期刊上，研究人员介绍了他们新型紧凑且优化的低功耗系统，使其适合在无人机上使用。他们表明，该系统能以1毫米x150毫米的相对宽视场，识别6米外的塑料。

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新研发的高光谱拉曼成像激光雷达系统能够在6米远的距离上检测和识别多种类型的塑料。图中测试的塑料样品上层为聚乙烯片，下层为聚丙烯片。

Somekawa说：“配备我们激光雷达传感器的无人机可用于评估陆地或海洋中的海洋塑料碎片，为更有针对性的清理和预防工作铺平道路。该系统还可用于其他监测应用，如检测危险气体泄漏。”

实现远程检测

研究人员之前曾展示过一种基于闪光拉曼激光雷达技术的监测系统，其中带通滤波器与每个测量目标相匹配，以连续方式进行检测。然而，这种技术对于检测海洋塑料并不实用，因为切换滤波器会妨碍瞬时三维测距和检测。

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该原型高光谱拉曼成像激光雷达系统包括一个脉冲532纳米绿色激光器和一个带门控ICCD的二维成像光谱仪。

其他研究小组也探索过使用高光谱拉曼成像来监测塑料污染。该技术将拉曼光谱与成像相结合，以捕获样品中空间分辨的化学信息，生成分子组成和结构的详细图谱。然而，传统的高光谱拉曼成像只能检测靠近仪器的目标。

为实现远程检测，研究人员将用于测距的激光雷达与高光谱拉曼光谱相结合。他们构建了一个原型系统，其中包括用于激光雷达测量的脉冲532纳米绿色激光器和配备门控增强型CCD（ICCD）的二维成像光谱仪。

从远距离目标反向散射的拉曼信号被检测为垂直线，而每个点中记录的水平方向包含高光谱信息。使用可在纳秒时间尺度上进行门控的ICCD相机对于实现具有精细距离分辨率的拉曼激光雷达测量至关重要。

距离分辨拉曼成像

Somekawa说：“我们设计该系统可同时获取图像和光谱测量，由于每种塑料的拉曼光谱都是独一无二的，因此成像信息可用于了解塑料碎片的空间分布和类型，而由于脉冲激光能够实现距离分辨测量，因此可以从任何距离的目标中获取高光谱信息。”

研究人员在由上层聚乙烯片和下层聚丙烯片组成的塑料样品上测试了他们的原型系统。在6米外，该系统能够获取每种塑料的特征光谱，并生成显示塑料垂直分布的图像。

研究人员表示，在6米远的距离上，使用ICCD相机的成像像素大小为0.29毫米，这意味着可以使用高光谱拉曼成像激光雷达系统测量和分析小型塑料碎片。

接下来，研究人员计划使用他们的系统监测漂浮或浸没在水中的微塑料。这应该是可行的，因为波长约为532纳米的激光能有效穿透水，从而在水生环境中实现更好的检测。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1364/OL.544096