單光子拉曼激光雷達(dá)可探測(cè)水下石油泄漏

無論是對(duì)石油開采相關(guān)公司還是對(duì)那些希望保護(hù)海洋環(huán)境的公司來說，探測(cè)水下管道的石油泄露都至關(guān)重要。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，廈門大學(xué)的一個(gè)研究項(xiàng)目展示了一種新型單光子拉曼激光雷達(dá)（LiDAR）系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在水下工作，外遠(yuǎn)程探測(cè)并區(qū)分石油和其它物質(zhì)。相關(guān)研究?jī)?nèi)容發(fā)表在Applied Optics期刊上，這為更緊湊、更節(jié)能的激光雷達(dá)平臺(tái)提供了一條新的途徑，以用于苛刻的海底環(huán)境。

廈門大學(xué)副教授上官明佳表示：“傳統(tǒng)的拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)依靠增加激光功率和鏡頭孔徑來實(shí)現(xiàn)遙感探測(cè)，這導(dǎo)致系統(tǒng)體積大、功耗高，很難將激光雷達(dá)系統(tǒng)集成到水下航行器上。而采用單光子探測(cè)技術(shù)就使這項(xiàng)工作成為可能?！?/p>

一段時(shí)間以來，利用單光子傳感的進(jìn)步作為實(shí)現(xiàn)更通用的海洋激光雷達(dá)平臺(tái)的途徑是一項(xiàng)重要的研究課題。傳統(tǒng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)深度有限，尤其是在波濤洶涌的大海上；但是拉曼激光雷達(dá)可以檢測(cè)彈性反向散射光和特定分子的拉曼信號(hào)，可以在不同深度使用，同時(shí)受海況影響較小。

2023年5月，赫瑞瓦特大學(xué)（Heriot-Watt University）介紹了一種基于皮秒分辨率時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)的替代激光雷達(dá)設(shè)備，據(jù)說由于該架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)的靈敏度，因此適合水下探測(cè)使用。

據(jù)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)介紹，廈門大學(xué)研發(fā)的單光子拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)長(zhǎng)40厘米，直徑20厘米，可承受水下深達(dá)1公里的工作條件。在演示中，這款新的激光雷達(dá)系統(tǒng)可用于探測(cè)距離系統(tǒng)幾米遠(yuǎn)的石英液槽（quartz cell）中不同厚度的石油。

在概念驗(yàn)證試驗(yàn)中，單光子拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)和石英池都浸沒在水下0.6米深的大水池中，該激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠探測(cè)并區(qū)分1至15毫米范圍內(nèi)的石油厚度。

該研究項(xiàng)目的論文寫道：“由于單光子探測(cè)的靈敏度，利用脈沖能量為1微焦耳的激光器和直徑為22.4毫米的鏡頭實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下石油相對(duì)較弱的拉曼背向散射信號(hào)的探測(cè)。通過實(shí)驗(yàn)演示，獲得了不同厚度的水下石油在12米距離內(nèi)的距離分辨拉曼背向散射信號(hào)。”

研究人員目前正在努力增加單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)通道數(shù)量和拉曼光譜分辨率，以增強(qiáng)其區(qū)分水中不同物質(zhì)的能力。該研究項(xiàng)目稱，這將使其能夠用于分析水下氣泡的類型以及檢測(cè)珊瑚和錳結(jié)核。

審核編輯：劉清