如何使用高光譜激光雷達(dá)平臺(tái)用于監(jiān)測(cè)昆蟲多樣性

監(jiān)測(cè)昆蟲種群是了解自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，特別是當(dāng)這些種群因農(nóng)藥使用或氣候變化而出現(xiàn)下降時(shí)。一種基本方法是捕獲活昆蟲進(jìn)行識(shí)別，這是一個(gè)相對(duì)耗時(shí)且昂貴的過程，但現(xiàn)在正在將更先進(jìn)的光子探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于這項(xiàng)任務(wù)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，丹麥NKT Photonics和瑞典隆德大學(xué)（Lund University）研究了如何使用高光譜激光雷達(dá)平臺(tái)來計(jì)數(shù)昆蟲、測(cè)量其翅膀拍動(dòng)的頻率，以及解析翅膀的相干散射以區(qū)分不同的物種。該研究結(jié)果以“Remote Nanoscopy with Infrared Elastic Hyperspectral Lidar”為題發(fā)表在Advanced Science期刊上，可能徹底改變昆蟲監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀。

豆娘翅膀的紅外高光譜成像（可以根據(jù)數(shù)據(jù)評(píng)估翅膀厚度并識(shí)別昆蟲）

研究人員開發(fā)的平臺(tái)采用了一種稱為彈性高光譜Scheimpflug激光雷達(dá)（EHSL）的技術(shù)。Scheimpflug原理最初源自航空攝影，涉及鏡頭和探測(cè)器相對(duì)于彼此傾斜，從而增加系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的焦深。

在圖像傳感器根據(jù)Scheimpflug原理定向的激光雷達(dá)系統(tǒng)中，指向大氣的激光束的反向散射可以到達(dá)傾斜的傳感器，所有反向散射回波同時(shí)聚焦，這是一條通過大光學(xué)孔徑達(dá)到理論上無限焦深的途徑。

在瑞典南部的試驗(yàn)中，NKT Photonics和隆德大學(xué)搭建了其實(shí)驗(yàn)設(shè)備，讓夜間活動(dòng)的昆蟲穿過固定的激光束，并記錄與昆蟲的距離和反射光譜數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目研究人員說道：“昆蟲翅膀是一種薄膜。當(dāng)激光照射到昆蟲翅膀時(shí)，一些光從第一個(gè)表面反射，一些光穿過翅膀后從第二個(gè)表面反射。這會(huì)產(chǎn)生翅膀干涉圖案?！?/p>

不同的昆蟲物種具有特定的翅膀拍打頻率和翅膀干涉圖案，并且從這兩種特征屬性捕獲數(shù)據(jù)可以使區(qū)分自然棲息地中的數(shù)百種自由飛行的昆蟲物種成為可能。

實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)采用連續(xù)波Scheimpflug激光雷達(dá)以及同一架構(gòu)的非彈性高光譜版本，該版本之前已在熒光模式下開發(fā)和使用。項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)表示，在激光雷達(dá)中結(jié)合光譜技術(shù)可以檢索遠(yuǎn)距離的微小特征。

該項(xiàng)目在其發(fā)表的論文中表示：“此前已通過偏振激光雷達(dá)和雙頻激光雷達(dá)遠(yuǎn)程探昆蟲測(cè)翅膀拍打。但到目前為止，還沒有遠(yuǎn)程設(shè)備能夠捕捉到翅膀干涉圖案，通過光譜解析并唯一地確定翅膀厚度?！?/p>

該項(xiàng)目證明，新方法在夜間部署在野外時(shí)，成功捕獲了飛行中昆蟲的翅膀拍打信號(hào)，并為遠(yuǎn)程獲取納米級(jí)精度的昆蟲翅膀厚度提供了可能性。

研究人員表示：“到目前為止，用于檢測(cè)自由飛行昆蟲的激光雷達(dá)技術(shù)主要依賴于翅膀拍打模式的頻率分析，這需要在光束傳輸過程中進(jìn)行多次翅膀拍打。我們的EHSL技術(shù)原則上可以通過單次微秒閃光（flash）來確定翅膀厚度?！?/p>

其它形式的光學(xué)遙感或環(huán)境監(jiān)測(cè)也可以利用基于相同原理的探測(cè)設(shè)備。該項(xiàng)目指出，用于植被冠層的高光譜激光雷達(dá)可以改善樹種分類并報(bào)告葉子水分、施肥或內(nèi)部葉子結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可以對(duì)溫室氣體和其它分子進(jìn)行大氣傳感。

審核編輯：劉清