基于激光雷達技術的生物氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)構建與關鍵技術研究.pdf

1、目的:
　　釋放生物氣溶膠是生物恐怖襲擊的主要方式。如何實現(xiàn)對生物氣溶膠的分辨與實時監(jiān)測在生物恐怖防范領域具有重大意義，是近年來各個國家研究的熱點之一。許多發(fā)達國家已經(jīng)著力研究利用激光雷達技術有效快速地實現(xiàn)生物氣溶膠的監(jiān)控，縮短自己的預警反應時間，降低損失。截止目前，他們仍在力求推動這項技術實用化和無人化。我國的生物恐怖襲擊監(jiān)測裝備的研發(fā)起步較晚，對于生物氣溶膠的實時監(jiān)測預警技術手段主要依賴于抽氣式的生物氣溶膠點監(jiān)測器，其監(jiān)測范圍

2、小，受風速影響大，部署成本高，存在明顯缺點。開展生物氣溶膠遙感裝置的研究對于我國戰(zhàn)場生防和城市反恐等領域具有重大現(xiàn)實意義。
　　方法和內容:
　　本文通過對國外報道的生物氣溶膠遙測裝備的文獻的研究，結合我國生物氣溶膠監(jiān)測裝備的發(fā)展現(xiàn)狀和城市反恐的實際需求，提出小型便攜式近程生物氣溶膠遙測裝置的研究課題。準確地識別生物粒子依賴于深入地了解目標的光學特性。本文分別從生物氣溶膠粒子的光學散射和熒光特性、遙測系統(tǒng)的軟硬件仿真和設計以

3、及系統(tǒng)性能實驗結果等3個方面，系統(tǒng)地分析了生物氣溶膠遙測的原理和工程設計要點。具體包括:
　　生物粒子的后向散射特性研究:生物粒子的粒徑分布位于約0.1～10um之間，其與近紫外激光相互作用具有特定的規(guī)律。本文利用Mie散射理論和T矩陣理論，對于生物氣溶膠的散射特性進行分析和計算仿真，得到粒子的粒徑、折射率以及形狀與后向散射信號之間的關系，用以指導探測儀器的功能實現(xiàn)。
　　生物粒子內源性熒光特性分析:生物粒子所含的內源性熒光

4、物質使得測量生物熒光可以實現(xiàn)對于生物粒子種類的辨別。同時生物體自身新陳代謝以及外部環(huán)境條件會導致熒光分子含量和活性的變化，進一步導致粒子熒光特性發(fā)生改變，影響熒光測量的準確性。本文從細胞的熒光光譜和主要內源性熒光分子兩個方面對其熒光特性進行闡述，并對比常見干擾物的熒光特性。通過結合生物粒子的熒光數(shù)學模型以及粒子體內的物質代謝網(wǎng)絡，計算仿真生物粒子的熒光特性隨新陳代謝的變化情況。
　　基于人眼安全的激光雷達光源參數(shù)優(yōu)化設置:激光雷達

5、具有監(jiān)測范圍廣的特點，其探測性能與其對于周圍人眼安全的危險程度是正相關的，這兩方面的表現(xiàn)均取決于激勵光源的參數(shù)設置。本文利用探測信噪比作為評價探測性能的指標，利用《ANSI Z136.1-2000美國激光標準:激光的安全使用》作為評價系統(tǒng)安全性的指標，綜合比較傳統(tǒng)脈沖激光雷達、微脈沖激光雷達和偽隨機調制激光雷達三種光源設置方式，結合人眼安全指標和探測性能指標計算出相同安全等級條件下最優(yōu)信噪比的光源設置參數(shù)。
　　基于非齊次馬爾科夫

6、過程的光子計數(shù)死時間效應瞬態(tài)分析:為提高靈敏度，微脈沖激光雷達和偽隨機調制激光雷達通常使用光子計數(shù)器作為光電探測器。光子計數(shù)器輸出信號存在死時間，與光電倍增管的信號特性不同，死時間效應導致光子計數(shù)器輸出信號出現(xiàn)畸變。本文利用非齊次馬氏鏈過程對于光子計數(shù)器的死時間效應進行理論分析、計算仿真和實驗驗證，提出了死時間效應的校正方法。
　　基于405nm激光的熒光探測和偏振探測聯(lián)合識別生物粒子技術:不同的激發(fā)波長會導致生物粒子產(chǎn)生不同的熒

7、光光譜。本文選擇將405nm半導體激光器作為遙測系統(tǒng)光源。通過對比幾種生物粒子的激發(fā)熒光光譜，定位了2個特征熒光譜帶。通過同時進行偏振探測和2和熒光譜段探測，對于枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌和酵母菌進行分辨。
　　基于偽隨機調制技術的便攜式近程生物氣溶膠遙測激光雷達系統(tǒng)的設計:基于連續(xù)半導體激光器研制的偽隨機調制雷達具有體積小、功耗低和攜行方便的特點，特別適合于快速部署和移動監(jiān)控。本文針對于生物氣溶膠的遙測，優(yōu)化設計光學探測系統(tǒng)和

8、光電信號采集系統(tǒng)，并編寫數(shù)據(jù)采集程序和處理程序，搭建了小型近程生物氣溶膠遙測雷達實驗樣機。
　　結果:
　　根據(jù)遠場散射理論，隨機取向的粒子群的散射特性與單個粒子的平均散射特性相同，依此可以利用單粒子散射理論計算生物粒子云團的散射特點?；谏锪Ｗ拥暮笙蛏⑸淅碚?，本文定義了退偏率作為偏振探測的指標，用于衡量具有不同長短軸之比的橢球形粒子，該退偏率隨粒子長短軸之比增長單調遞減。
　　生物粒子的內源性熒光主要來自于色氨酸、

9、酪氨酸、NADH以及核黃素等內源性分子。通過結合生物粒子的熒光數(shù)學模型，本文描述粒子體內的物質代謝與粒子熒光效應的關系，并舉例計算在355nm激光激發(fā)下大腸桿菌內源性熒光隨新陳代謝變化，仿真假定使用±5mmol/gDW.h作為細菌內外物質交換的限制閾值，使用103mmol/gDW.h作為粒子內部每個反應通路的通量上限，計算結果表明初始等效粒徑為1um的大腸桿菌在外界營養(yǎng)充足且環(huán)境不變條件下的熒光散射截面從0.012um2提高到0.028

10、um2。
　　通過計算比較傳統(tǒng)脈沖激光雷達、微脈沖雷達和偽隨機調制激光雷達的人眼安全等級以及探測信噪比，認為微脈沖雷達的激光發(fā)射方式能量利用效率最優(yōu)。對于405nm波長，在1類安全等級條件下光源的重復頻率和能量應設置為55179Hz信噪比最高;在3類安全等級條件下光源的重復頻率和能量應設置為4Hz信噪比最高。但是在允許的范圍內，偽隨機調制激光雷達可以在相同的時間內發(fā)射更多的激光脈沖，其發(fā)射脈沖的占空比可以達到1∶1，發(fā)射脈沖數(shù)量可

11、以達到微脈沖雷達的百倍甚至更多，可以提高信噪比和降低峰值功率。
　　在微脈沖激光雷達或偽隨機調制激光雷達技術中使用光子計數(shù)器由于死區(qū)時間會帶來計數(shù)的畸變，其主要表現(xiàn)為在強信號光照射下死時間效應會導致探測目標區(qū)域信號的上下抖動，會降低光子計數(shù)的測量值，會在信號回落時形成過沖現(xiàn)象。實驗修正結果表明對于粒子密度較濃稠的生物氣溶膠，散射光通道可受到50％的抑制。
　　基于以上問題的研究和分析，本文提出便攜式人眼安全的遙測實驗樣機的設

12、計方案，主要參數(shù)為:使用100mW的405nm連續(xù)激光器，調制頻率100MHz;使用口徑200mm的卡塞格林望遠鏡作為接收器，光闌設置為直徑12mm;使用4通道光子計數(shù)器同時進行采集，其中兩路偏振探測通道，兩路熒光探測通道(450±20nm、520±20nm)，探測器具有相同的光程，同時聚焦于望遠鏡前方200m處。
　　基于上述實驗樣機對于三種生物氣溶膠（枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌和酵母菌）和3種常見干擾物（樹葉腐殖質、干燥泥土

13、和衣服染料）進行實際的測試，實驗結果表明:偏振探測和熒光探測的靈敏度約為105ppl，最遠可以探測90m，其分別在20Lux和5Lux環(huán)境照度下正常工作。綜合偏振探測和熒光探測，實驗樣機可以區(qū)分三種生物氣溶膠云團，其信號的回代誤報率分別為2.5％、5％和15％。3種常見干擾物相較于生物粒子，衣服染料（多環(huán)芳香烴）在450nm通道幾乎沒有信號;泥土的520nm通道信號約為450nm的2倍關系;樹葉腐殖質的熒光特性與生物粒子相近。