雙波長熒光雷達探測大氣生物氣溶膠的性能分析

雙波長熒光雷達探測大氣生物氣溶膠的性能分析

饒志敏;華燈鑫;何廷堯;王強;樂靜

【摘 要】生物氣溶膠在大氣中擴散極易傳播和發生各種流行疾病,也是生物武器投

放的主要形式,實現生物氣溶膠實時、遠距離的探測顯得尤為重要.構建了一臺雙波

長熒光雷達用于大氣中生物氣溶膠的預警和識別.該雷達系統采用Nd:YAG固體激

光器作為激勵光源,基頻1064 nm、四倍頻266 nm作為工作波長.基于激光誘導

熒光雷達探測原理,對紅外波段的彈性散射信號和紫外波段誘導的熒光信號進行數

值分析.結果顯示,在探測誤差小于10%的情況下,距離為1.0 km時,單激光脈沖測量

得到白天和夜晚細菌孢子的最小探測濃度分別為15100個顆粒·L-1和8386個顆

粒·L-1;當脈沖數累加到10000時,白天和夜晚的細菌孢子最小探測濃度顯著改善,分

別為144個顆粒·L-1和77個顆粒·L-1.分析結果還表明,通過紅外波段確定細菌孢

子云團位置后,為了提高系統對細菌孢子的探測性能,可增加紫外激光脈沖數量,延長

熒光信號采集時間.%Biological aerosols widely spreading in the atmosphere

will easily result in various epidemic dias,meanwhile,bio-logical aerosol

weapons po a vere threat to the safety and curity of military forces

and is critically important to remotely detect biological aerosols

at this work,a double-wavelength lar induced fluorescence

lidar was construc-ted for atmospheric bacterial spores'identification and

thus the early device employed a Nd:YAG lar operating at

1064 and 266 nm,with a repetition rate of 10 on lidar detection

principle,a ries of numerical simulations were performed to estimate the

measurement range of the elastic scattering signals in the infrared band

and the fluorescence signals in-duced by ultraviolet the ultraviolet

band,the signals were analyzed with a spectrograph to evaluate the

minimum con-centrations of bacterial spores at different a

relative error of less than 10%,theoretical analysis shows that,within a

range of 1.0 km,the system is capable of identifying a minimum

concentration of bacterial spores at about 15000 and 8400 particles·L-1 at

daytime and nighttime with the single lar pul an

integrated puls of 10000,the detectable abilities of the fluorescence lidar

greatly improves,identifying a minimum concentration of bacterial spores

at 144 and 77 particles·L-1 at daytime and nighttime, the

lidar operation,when bacterial spores are located by the infrared e-lastic

signals,one could actually extend the collected intervals in the fluorescence

detection to improve the Signal-to-noi ratio, which may lo acceptable

temporal resolution.

【期刊名稱】《光譜學與光譜分析》

【年(卷),期】2017(037)009

【總頁數】5頁(P2804-2808)

【關鍵詞】熒光雷達;雙波長;信噪比;最小探測濃度

【作 者】饒志敏;華燈鑫;何廷堯;王強;樂靜

【作者單位】西安理工大學機械與精密儀器工程學院,陜西 西安 710048;西安理工

大學機械與精密儀器工程學院,陜西 西安 710048;西安理工大學機械與精密儀器工

程學院,陜西 西安 710048;西安理工大學機械與精密儀器工程學院,陜西 西安

710048;西安理工大學機械與精密儀器工程學院,陜西 西安 710048

【正文語種】中 文

【中圖分類】TH765.9

大氣氣溶膠是均勻分散于大氣中的固體微粒和液體微粒所構成的穩定混合體系，

其中粒徑介于10-3～102 μm之間的微粒統稱為氣溶膠粒。 此外， 具有生命的氣

溶膠粒子， 如細菌、 真菌、 病毒等微生物粒子， 以及活性粒子及由有生命活性

的機體所釋放到空氣中的各種質粒， 如花粉、 孢子、 動植物碎裂的分解體等被統

稱為生物氣溶膠[1]。 生物氣溶膠能夠在空氣中進行繁殖并擴散至周圍的環境， 導

致人類發生過敏反應， 對免疫力低下人群造成嚴重的健康危害[2]。 面對有害生物

氣溶膠的侵襲， 為減少其造成的人員傷害， 對大氣中存有潛在危害的生物氣溶膠

進行早期預警和檢測顯得尤為重要。 目前， 用于大氣中生物氣溶膠探測的產品較

多， 如激光誘導離解光譜儀[3]， 傅里葉變換光譜[4]， 拉曼光譜儀[5]， 以及激光

誘導熒光[6]等。 考慮到生物氣溶膠的危害性， 實時遠距離探測的必要性， 雷達

是目前較好地能夠完成對數公里之外的氣溶膠進行實時探測的遙感技術， 然而其

對氣溶膠成分的探測能力有限。 因此， 將激光誘導熒光技術應用到激光雷達上，

形成有機生物氣溶膠的紫外激光誘導熒光雷達探測技術， 可以識別生物與非生物

氣溶膠。

生物氣溶膠在特定波長的激光誘導下， 會產生本征熒光， 不同類型的生物氣溶膠

具有自身特有的吸收光譜和發射光譜[7-8]。 通過對本征熒光光譜強度的檢測和分

析， 可實現對生物氣溶膠類型的預分類。 覆蓋紫外到紅外波段的雙波長熒光雷達

系統同時具有紅外和紫外探測能力。 由于紅外光波段在大氣中有很強的穿透率，

因此紅外波長的使用能夠對數十公里處的生物氣溶膠云團進行跟蹤； 紫外波長能

夠對生物氣溶膠進行近實時的探測并具有一定的分辨能力， 因此擁有紅外和紫外

波段的雙波長熒光雷達系統能夠實現對生物氣溶膠云團的預警跟蹤和辨別。 在國

外， Stowers等已成功利用四倍頻266 nm紫外激光測量了生物氣溶膠顆粒的熒

光光譜[9]； Jacek Wojtanowski等構建了一臺266/355 nm作為激發波長的激

光誘導生物氣溶膠熒光雷達， 并驗證了其探測距離可達1.0 km[10]； 此外， 德

國CBRN研究中心對研制的多波長激發雷達性能進行了評估， 該系統以1 064

nm波長探測彈性散射信號， 532 nm波長測量偏振， 266/355 nm作為生物氣

溶膠熒光激發波長[11]。

本文構建了一臺用于大氣生物氣溶膠預警和探測的雙波長激光誘導熒光雷達系統，

采用1 064和266 nm波長作為工作波長， 對細菌孢子云團的彈性散射信號和熒

光散射信號的進行理論分析。 基于激光誘導熒光雷達探測原理， 選用色氨酸作為

生物氣溶膠(細菌孢子)的主要成分進行數值模擬探測， 得到了紅外波長探測細菌孢

子云團距離雷達系統1.5 km位置的回波信號強度； 以及不同探測距離時， 細菌

孢子在紫外激光激發下產生的熒光散射信號強度。 在白天和夜晚情況下， 對比分

析了紅外和紫外波長工作時的系統信噪比及其有效探測距離， 分析了系統隨著距

離的變化對細菌孢子的最小探測濃度。

1.1 熒光

在適當激光波長的激發下， 生物氣溶膠會產生熒光， 而多數生物氣溶膠主要的組

成成分為芳香族氨基酸和輔酶。 芳香族氨基酸的激發光譜范圍主要集中在280～

290 nm， 熒光光譜范圍為300～400 nm[12]。 而色氨酸是芳香族氨基酸中一種

重要的氨基酸， 存在于包括病毒在內的各種生物氣溶膠中， 其激發光譜范圍主要

為230～280 nm波段的紫外光， 熒光光譜范圍主要集中在350～650 nm[13]。

本征熒光是存在于生物粒子中的有機分子在紫外光激發下產生的特有熒光， 也是

生物氣溶膠屬性判別的最重要依據。 并且， 由于所含生物粒子的種類存在差異，

可通過生物氣溶膠的吸收光譜與熒光光譜對其種類進行預判。

1.2 多波長熒光雷達系統組成

用于探測大氣中生物氣溶膠的雙波長激光誘導熒光雷達示意圖如圖1所示。 系統

采用重復頻率為10 Hz的固態Nd∶YAG激光器作為發射光源， 通過固態非線性

倍頻轉換可同時輸出1 064 nm (150 mJ)和266 nm (50 mJ)兩個波段。 由全反

鏡M-1， M-2反射進入大氣中， 射向生物氣溶膠云團。 產生的彈性散射信號及

熒光信號由直徑為25 cm的卡塞格林望遠鏡接收， 并由透鏡L-1反射鏡M-3，

M-4調整接收信號的傳輸方向。 熒光信號經過濾光片F-1和透鏡L-2直接進入光

譜分光儀， 由多通道光電倍增管探測； 1 064 nm波長的散射回波信號由分光鏡

BS-1提取， 經由濾光片F-2和透鏡L-3進入雪崩二極管APD。 最后， 所有信號

由示波器進行采集， 并在計算機進行數據反演。

1.3 回波信號

當大氣中生物云團的位置距離地面高度為R時， 通過激光誘導熒光雷達方程[10]

可以得到熒光雷達回波信號的能量強度的理論值P(R)為

式(1)中， E0為激光脈沖能量(mJ)， c為光速(m·s-1)， A0為望遠鏡接收面積

(m2)， η1為探測器量子效率， φ0為望遠鏡接收效率， φ0為光學組件透過率，

Δλ為濾波片帶寬， ξ(R)為雷達系統幾何重疊因子， β1為大氣中氣溶膠和空氣分

子的后向散射系數(m-1·sr-1)， β2為大氣中生物氣溶的后向散射系數

(β2=Nbioσbio， Nbio為生物氣溶膠濃度， σbio為生物氣溶膠熒光散射截面積)，

α1為大氣中氣溶膠和空氣分子的消光系數(m-1)， α2為大氣中生物氣溶膠熒光波

長的消光系數(m-1)(α2=Nbioσbio， σbio為生物氣溶膠消光截面積)， R1和R2

分別為生物氣溶膠云團厚度的起始和結束位置。

當對系統靈敏度進行計算時， 需適當考慮噪聲的影響。 激光誘導熒光雷達主要噪

聲信號為

式(2)中， Ib為背景噪聲， Id為暗電流噪聲。 探測器接收到的背景噪聲信號為

式(3)中， Ω0為望遠鏡接收視場角(sr)， ηpmt為PMT的探測效率， Δλ為濾波

片帶寬(nm)， e為電子電荷(Q)， h為普朗克常量(J·s)。 通常， 減小望遠鏡的接

收視場角和接收面積， 能夠降低探測器接收到的背景輻射強度。 并且， 系統在紫

外波長工作時， 白天會受到較強背景輻射的影響。 Id為探測器陰極電流， 一個

典型值為4×10-15 A。

熒光信號進入PMT探測器， 在光電陰極產生電流Is

選定最小信噪比SNRmin=10(探測誤差小于10%)作為激光誘導熒光雷達實現生

物氣溶膠探測的臨界值， 可得到系統最小探測濃度， 單脈沖的時， 系統信噪比表

達式為

式(5)中， Ib為背景輻射噪聲， Id為暗電流噪聲。 對探測的N個數量脈沖回波信

號進行累加、 平均處理后得到信噪比為

當累加的脈沖數量n=1 000時， 可得到每個脈沖信號的探測功率

將式(3)和式(4)代入式(7)得到式(8)如下

當得到探測的回波信號功率之后， 便可得到生物氣溶膠最小探測濃度表達式為

色氨酸是生物氣溶膠所含熒光物質的主要成份， 受到266 nm紫外脈沖激發時，

產生峰值在350 nm的熒光波長， 而色氨酸在266 nm激發下所產生的熒光強度

要強于生物氣溶膠所含其他熒光物質[11]。 因此， 在數值仿真過程中， 主要考慮

色氨酸在紫外激發下所生產的熒光信號。 本文中， 我們設計了一臺雙波長激光誘

導熒光雷達， 266 nm作為熒光信號的激發波長， 對氣溶膠的生物屬性進行辨別；

1 064 nm波長脈沖具有較強的穿透性， 用于大氣中生物氣溶膠云團位置的探測

及跟蹤。 在系統性能分析的過程中， 選用直徑為1 μm細菌孢子進行數值仿真估

算[14]； 在266 nm紫外波長激發下， 細菌孢子所產生的熒光波長峰值為350

nm， 其熒光散射截面積為2×10-11 cm2·sr-1·nm-1[15]。 雙波長激光雷達系統

主要參數見表1。

假設細菌孢子在高度為1.5 km的大氣中進行投放， 形成厚度為200 m、 濃度為

1 000個顆粒·L-1的細菌孢子云團； 對探測器接收到的回波信號功率， 系統信噪

比及系統對細菌孢子最小探測濃度進行數值模擬計算。 圖2顯示大氣高度為1.5

km處存在生細菌孢子云團時的1 064 nm波長的彈性散射回波信號強度。

如圖3所示， 當大氣中細菌孢子云團濃度分別為103， 104和105個顆粒·L-1時，

系統所接收到1 064 nm波長激光脈沖的彈性散射回波信號功率分別為3.54×10-

12， 1.17×10-11和2.76×10-11 W。 結果表明， 隨著細菌孢子濃度的增加，

系統探測到的彈性回波信號強度也隨之增強。

當激光雷達發射的1 064 nm波長脈沖探測到細菌孢子云團的位置時， 系統發射

的266 nm紫外波長與細菌孢子發生作用并產生熒光信號。 當細菌孢子濃度分別

為103， 104和105個顆粒·L-1時的熒光信號強度隨探測距離變化情況如圖4所

示。 探測距離為1.0 km時， 系統所探測到的熒光信號強度分別為1.89×10-15，

1.89×10-14和1.89×10-13 W。 結果表明， 細菌孢子產生的熒光信號強度相對

于1 064 nm波長的彈性回波信號較弱， 且隨著濃度的增加， 熒光信號功率有所

增大。

當大氣中的細菌孢子云團濃度為1 000個顆粒·L-1時， 激光雷達系統發射單個脈

沖， 得到系統信噪比為10時， 如圖5所示。 白天情況下， 激光雷達發射的1

064 nm波長脈沖能夠對距離為2.8 km處的細菌孢子云團位置進行有效預測， 而

激光雷達發射的266 nm波長脈沖與細菌孢子發生作用產生350 nm波長熒光時，

系統僅能夠對距離為0.3 km處的細菌孢子云團的生物屬性進行識別和探測。 這表

明當激光發射1 064 nm波長脈沖對大于0.3 km距離處的細菌孢子云團位置進行

確定時， 在相同參數條件下， 系統無法探測到細菌孢子云團所產生的熒光信號。

因此， 在對350 nm熒光信號采集的過程中， 當細菌孢子產生的熒光信號累加次

數分別增至10， 100， 1 000和10 000時， 系統對細菌孢子云團的生物屬性識

別距離分別提高到0.5， 0.9， 1.4和2.1 km。 這說明當1 064 nm波長的激光

脈沖探測到距離小于2.1 km的細菌孢子云團位置時， 可增加350 nm波長熒光

信號采集的累加次數， 進而實現系統對細菌孢子的有效探測和識別。 夜晚情況下，

激光雷達能夠對距離小于22.6 km處的細菌孢子云團的位置進行預測， 而系統僅

能夠對距離小于0.5 km處細菌孢子云團的生物屬性進行識別和探測。 當熒光信號

的累加次數分別增至10， 100， 1 000和10 000時， 系統對細菌孢子云團的生

物屬性識別距離分別增加至0.8， 1.4， 2.1和3.2 km。 結果表明， 當激光雷達

發射的1 064 nm波長的脈沖對細菌孢子云團的位置確定之后， 增加266 nm波

長產生的熒光信號累加次數增至10 000時， 白天， 系統能夠對距離為2.1 km

處的細菌孢子云團進行識別和探測； 在夜晚， 系統能夠對距離為3.2 km處的細

菌孢子云團進行識別和探測。

如圖6所示， 在探測誤差小于10%的情況下， 白天時， 激光雷達對熒光信號采

集時的累加次數分別為1， 10， 100， 1 000和10 000時， 當探測距離為1.0

km， 系統對細菌孢子云團的最小探測濃度分別為15 100， 4 608， 1 441，

454和144個顆粒·L-1； 探測距離為3.0 km時， 最小探測濃度分別為306 000，

93 360， 29 190， 9 192和2 906個顆粒·L-1。 夜晚時， 探測距離為1.0 km

時， 系統對細菌孢子云團的最小探測濃度分別為8 386， 2 479， 768， 242和

77個顆粒·L-1； 探測距離為3.0 km時， 最小探測濃度分別為169 900， 50

230， 15 550， 4 884和1 541個顆粒·L-1。 結果表明， 在同一探測距離， 隨

著對熒光信號采集時累加次數的增加， 系統對大氣中細菌孢子的識別和探測能力

逐漸增強。

綜上可知， 由于1 064 nm波長的激光脈沖具有較高的能量， 擁有較強的彈性回

波信號， 能夠探測到位置距離較遠的細菌孢子云團， 而266 nm波長的激發脈沖

能量較低， 與細菌孢子發生作用時， 產生的熒光回波信號強度較弱； 所以， 激

光雷達系統能夠對距離較近的細菌孢子的生物屬性進行識別。 因此， 當1 064

nm波長的激光脈沖對云團的位置進行確定時， 可通過增加熒光信號采集時的累

加次數， 進而提高激光雷達對細菌孢子云團的識別距離以及最小探測濃度。

為實現對大氣生物氣溶膠的預警和探測， 設計和構建了一臺雙波長熒光雷達， 并

對其探測細菌孢子的性能進行數值仿真分析。 結果顯示， 在探測誤差小于10%的

情況下， 當累加脈沖信號達10 000時， 白天情況下， 該系統能夠對距離在2.1

km范圍之內， 濃度為1 000個顆粒·L-1的細菌孢子云團進行有效的識別和探測；

夜晚情況下， 系統對細菌孢子云團探測的距離可達3.2 km。 通過對多波長激光

誘導熒光雷達系統的數值仿真分析可知， 該系統利用1 064 nm波長可對遠距離

的云團位置進行確定， 然后266 nm波長對細菌孢子云團的生物屬性進行識別，

并由熒光回波信號強度反演細菌孢子云團的濃度。 結果顯示， 當距離為1.0 km

時， 白天情況下， 熒光信號采集累加次數為1時， 激光雷達能夠探測細菌孢子的

最小濃度為15 100個顆粒·L-1； 當熒光信號采集累加數增至10 000時， 系統能

夠探測到細菌孢子的最小濃度為144個顆粒·L-1。 夜晚情況下， 熒光信號采集累

加數為1時， 激光雷達能夠探測細菌孢子的最小濃度為8 386個顆粒·L-1， 當熒

光信號采集累加數增至10 000時， 系統能夠探測到細菌孢子的最小濃度為77個

顆粒·L-1。 結果表明， 當激光雷達對細菌孢子云團位置確定之后， 可通過增加熒

光信號采集時的累加次數， 進而提高系統對細菌孢子云團的識別和探測性能。

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