双波长荧光雷达探测大气生物气溶胶的性能分析

双波长荧光雷达探测大气生物气溶胶的性能分析

饶志敏;华灯鑫;何廷尧;王强;乐静

【摘 要】生物气溶胶在大气中扩散极易传播和发生各种流行疾病,也是生物武器投

放的主要形式,实现生物气溶胶实时、远距离的探测显得尤为重要.构建了一台双波

长荧光雷达用于大气中生物气溶胶的预警和识别.该雷达系统采用Nd:YAG固体激

光器作为激励光源,基频1064 nm、四倍频266 nm作为工作波长.基于激光诱导

荧光雷达探测原理,对红外波段的弹性散射信号和紫外波段诱导的荧光信号进行数

值分析.结果显示,在探测误差小于10%的情况下,距离为1.0 km时,单激光脉冲测量

得到白天和夜晚细菌孢子的最小探测浓度分别为15100个颗粒·L-1和8386个颗

粒·L-1;当脉冲数累加到10000时,白天和夜晚的细菌孢子最小探测浓度显著改善,分

别为144个颗粒·L-1和77个颗粒·L-1.分析结果还表明,通过红外波段确定细菌孢

子云团位置后,为了提高系统对细菌孢子的探测性能,可增加紫外激光脉冲数量,延长

荧光信号采集时间.%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.

【期刊名称】《光谱学与光谱分析》

【年(卷),期】2017(037)009

【总页数】5页(P2804-2808)

【关键词】荧光雷达;双波长;信噪比;最小探测浓度

【作 者】饶志敏;华灯鑫;何廷尧;王强;乐静

【作者单位】西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西 西安 710048;西安理工

大学机械与精密仪器工程学院,陕西 西安 710048;西安理工大学机械与精密仪器工

程学院,陕西 西安 710048;西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西 西安

710048;西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西 西安 710048

【正文语种】中 文

【中图分类】TH765.9

大气气溶胶是均匀分散于大气中的固体微粒和液体微粒所构成的稳定混合体系，

其中粒径介于10-3～102 μm之间的微粒统称为气溶胶粒。 此外， 具有生命的气

溶胶粒子， 如细菌、 真菌、 病毒等微生物粒子， 以及活性粒子及由有生命活性

的机体所释放到空气中的各种质粒， 如花粉、 孢子、 动植物碎裂的分解体等被统

称为生物气溶胶[1]。 生物气溶胶能够在空气中进行繁殖并扩散至周围的环境， 导

致人类发生过敏反应， 对免疫力低下人群造成严重的健康危害[2]。 面对有害生物

气溶胶的侵袭， 为减少其造成的人员伤害， 对大气中存有潜在危害的生物气溶胶

进行早期预警和检测显得尤为重要。 目前， 用于大气中生物气溶胶探测的产品较

多， 如激光诱导离解光谱仪[3]， 傅里叶变换光谱[4]， 拉曼光谱仪[5]， 以及激光

诱导荧光[6]等。 考虑到生物气溶胶的危害性， 实时远距离探测的必要性， 雷达

是目前较好地能够完成对数公里之外的气溶胶进行实时探测的遥感技术， 然而其

对气溶胶成分的探测能力有限。 因此， 将激光诱导荧光技术应用到激光雷达上，

形成有机生物气溶胶的紫外激光诱导荧光雷达探测技术， 可以识别生物与非生物

气溶胶。

生物气溶胶在特定波长的激光诱导下， 会产生本征荧光， 不同类型的生物气溶胶

具有自身特有的吸收光谱和发射光谱[7-8]。 通过对本征荧光光谱强度的检测和分

析， 可实现对生物气溶胶类型的预分类。 覆盖紫外到红外波段的双波长荧光雷达

系统同时具有红外和紫外探测能力。 由于红外光波段在大气中有很强的穿透率，

因此红外波长的使用能够对数十公里处的生物气溶胶云团进行跟踪； 紫外波长能

够对生物气溶胶进行近实时的探测并具有一定的分辨能力， 因此拥有红外和紫外

波段的双波长荧光雷达系统能够实现对生物气溶胶云团的预警跟踪和辨别。 在国

外， Stowers等已成功利用四倍频266 nm紫外激光测量了生物气溶胶颗粒的荧

光光谱[9]； Jacek Wojtanowski等构建了一台266/355 nm作为激发波长的激

光诱导生物气溶胶荧光雷达， 并验证了其探测距离可达1.0 km[10]； 此外， 德

国CBRN研究中心对研制的多波长激发雷达性能进行了评估， 该系统以1 064

nm波长探测弹性散射信号， 532 nm波长测量偏振， 266/355 nm作为生物气

溶胶荧光激发波长[11]。

本文构建了一台用于大气生物气溶胶预警和探测的双波长激光诱导荧光雷达系统，

采用1 064和266 nm波长作为工作波长， 对细菌孢子云团的弹性散射信号和荧

光散射信号的进行理论分析。 基于激光诱导荧光雷达探测原理， 选用色氨酸作为

生物气溶胶(细菌孢子)的主要成分进行数值模拟探测， 得到了红外波长探测细菌孢

子云团距离雷达系统1.5 km位置的回波信号强度； 以及不同探测距离时， 细菌

孢子在紫外激光激发下产生的荧光散射信号强度。 在白天和夜晚情况下， 对比分

析了红外和紫外波长工作时的系统信噪比及其有效探测距离， 分析了系统随着距

离的变化对细菌孢子的最小探测浓度。

1.1 荧光

在适当激光波长的激发下， 生物气溶胶会产生荧光， 而多数生物气溶胶主要的组

成成分为芳香族氨基酸和辅酶。 芳香族氨基酸的激发光谱范围主要集中在280～

290 nm， 荧光光谱范围为300～400 nm[12]。 而色氨酸是芳香族氨基酸中一种

重要的氨基酸， 存在于包括病毒在内的各种生物气溶胶中， 其激发光谱范围主要

为230～280 nm波段的紫外光， 荧光光谱范围主要集中在350～650 nm[13]。

本征荧光是存在于生物粒子中的有机分子在紫外光激发下产生的特有荧光， 也是

生物气溶胶属性判别的最重要依据。 并且， 由于所含生物粒子的种类存在差异，

可通过生物气溶胶的吸收光谱与荧光光谱对其种类进行预判。

1.2 多波长荧光雷达系统组成

用于探测大气中生物气溶胶的双波长激光诱导荧光雷达示意图如图1所示。 系统

采用重复频率为10 Hz的固态Nd∶YAG激光器作为发射光源， 通过固态非线性

倍频转换可同时输出1 064 nm (150 mJ)和266 nm (50 mJ)两个波段。 由全反

镜M-1， M-2反射进入大气中， 射向生物气溶胶云团。 产生的弹性散射信号及

荧光信号由直径为25 cm的卡塞格林望远镜接收， 并由透镜L-1反射镜M-3，

M-4调整接收信号的传输方向。 荧光信号经过滤光片F-1和透镜L-2直接进入光

谱分光仪， 由多通道光电倍增管探测； 1 064 nm波长的散射回波信号由分光镜

BS-1提取， 经由滤光片F-2和透镜L-3进入雪崩二极管APD。 最后， 所有信号

由示波器进行采集， 并在计算机进行数据反演。

1.3 回波信号

当大气中生物云团的位置距离地面高度为R时， 通过激光诱导荧光雷达方程[10]

可以得到荧光雷达回波信号的能量强度的理论值P(R)为

式(1)中， E0为激光脉冲能量(mJ)， c为光速(m·s-1)， A0为望远镜接收面积

(m2)， η1为探测器量子效率， φ0为望远镜接收效率， φ0为光学组件透过率，

Δλ为滤波片带宽， ξ(R)为雷达系统几何重叠因子， β1为大气中气溶胶和空气分

子的后向散射系数(m-1·sr-1)， β2为大气中生物气溶的后向散射系数

(β2=Nbioσbio， Nbio为生物气溶胶浓度， σbio为生物气溶胶荧光散射截面积)，

α1为大气中气溶胶和空气分子的消光系数(m-1)， α2为大气中生物气溶胶荧光波

长的消光系数(m-1)(α2=Nbioσbio， σbio为生物气溶胶消光截面积)， R1和R2

分别为生物气溶胶云团厚度的起始和结束位置。

当对系统灵敏度进行计算时， 需适当考虑噪声的影响。 激光诱导荧光雷达主要噪

声信号为

式(2)中， Ib为背景噪声， Id为暗电流噪声。 探测器接收到的背景噪声信号为

式(3)中， Ω0为望远镜接收视场角(sr)， ηpmt为PMT的探测效率， Δλ为滤波

片带宽(nm)， e为电子电荷(Q)， h为普朗克常量(J·s)。 通常， 减小望远镜的接

收视场角和接收面积， 能够降低探测器接收到的背景辐射强度。 并且， 系统在紫

外波长工作时， 白天会受到较强背景辐射的影响。 Id为探测器阴极电流， 一个

典型值为4×10-15 A。

荧光信号进入PMT探测器， 在光电阴极产生电流Is

选定最小信噪比SNRmin=10(探测误差小于10%)作为激光诱导荧光雷达实现生

物气溶胶探测的临界值， 可得到系统最小探测浓度， 单脉冲的时， 系统信噪比表

达式为

式(5)中， Ib为背景辐射噪声， Id为暗电流噪声。 对探测的N个数量脉冲回波信

号进行累加、 平均处理后得到信噪比为

当累加的脉冲数量n=1 000时， 可得到每个脉冲信号的探测功率

将式(3)和式(4)代入式(7)得到式(8)如下

当得到探测的回波信号功率之后， 便可得到生物气溶胶最小探测浓度表达式为

色氨酸是生物气溶胶所含荧光物质的主要成份， 受到266 nm紫外脉冲激发时，

产生峰值在350 nm的荧光波长， 而色氨酸在266 nm激发下所产生的荧光强度

要强于生物气溶胶所含其他荧光物质[11]。 因此， 在数值仿真过程中， 主要考虑

色氨酸在紫外激发下所生产的荧光信号。 本文中， 我们设计了一台双波长激光诱

导荧光雷达， 266 nm作为荧光信号的激发波长， 对气溶胶的生物属性进行辨别；

1 064 nm波长脉冲具有较强的穿透性， 用于大气中生物气溶胶云团位置的探测

及跟踪。 在系统性能分析的过程中， 选用直径为1 μm细菌孢子进行数值仿真估

算[14]； 在266 nm紫外波长激发下， 细菌孢子所产生的荧光波长峰值为350

nm， 其荧光散射截面积为2×10-11 cm2·sr-1·nm-1[15]。 双波长激光雷达系统

主要参数见表1。

假设细菌孢子在高度为1.5 km的大气中进行投放， 形成厚度为200 m、 浓度为

1 000个颗粒·L-1的细菌孢子云团； 对探测器接收到的回波信号功率， 系统信噪

比及系统对细菌孢子最小探测浓度进行数值模拟计算。 图2显示大气高度为1.5

km处存在生细菌孢子云团时的1 064 nm波长的弹性散射回波信号强度。

如图3所示， 当大气中细菌孢子云团浓度分别为103， 104和105个颗粒·L-1时，

系统所接收到1 064 nm波长激光脉冲的弹性散射回波信号功率分别为3.54×10-

12， 1.17×10-11和2.76×10-11 W。 结果表明， 随着细菌孢子浓度的增加，

系统探测到的弹性回波信号强度也随之增强。

当激光雷达发射的1 064 nm波长脉冲探测到细菌孢子云团的位置时， 系统发射

的266 nm紫外波长与细菌孢子发生作用并产生荧光信号。 当细菌孢子浓度分别

为103， 104和105个颗粒·L-1时的荧光信号强度随探测距离变化情况如图4所

示。 探测距离为1.0 km时， 系统所探测到的荧光信号强度分别为1.89×10-15，

1.89×10-14和1.89×10-13 W。 结果表明， 细菌孢子产生的荧光信号强度相对

于1 064 nm波长的弹性回波信号较弱， 且随着浓度的增加， 荧光信号功率有所

增大。

当大气中的细菌孢子云团浓度为1 000个颗粒·L-1时， 激光雷达系统发射单个脉

冲， 得到系统信噪比为10时， 如图5所示。 白天情况下， 激光雷达发射的1

064 nm波长脉冲能够对距离为2.8 km处的细菌孢子云团位置进行有效预测， 而

激光雷达发射的266 nm波长脉冲与细菌孢子发生作用产生350 nm波长荧光时，

系统仅能够对距离为0.3 km处的细菌孢子云团的生物属性进行识别和探测。 这表

明当激光发射1 064 nm波长脉冲对大于0.3 km距离处的细菌孢子云团位置进行

确定时， 在相同参数条件下， 系统无法探测到细菌孢子云团所产生的荧光信号。

因此， 在对350 nm荧光信号采集的过程中， 当细菌孢子产生的荧光信号累加次

数分别增至10， 100， 1 000和10 000时， 系统对细菌孢子云团的生物属性识

别距离分别提高到0.5， 0.9， 1.4和2.1 km。 这说明当1 064 nm波长的激光

脉冲探测到距离小于2.1 km的细菌孢子云团位置时， 可增加350 nm波长荧光

信号采集的累加次数， 进而实现系统对细菌孢子的有效探测和识别。 夜晚情况下，

激光雷达能够对距离小于22.6 km处的细菌孢子云团的位置进行预测， 而系统仅

能够对距离小于0.5 km处细菌孢子云团的生物属性进行识别和探测。 当荧光信号

的累加次数分别增至10， 100， 1 000和10 000时， 系统对细菌孢子云团的生

物属性识别距离分别增加至0.8， 1.4， 2.1和3.2 km。 结果表明， 当激光雷达

发射的1 064 nm波长的脉冲对细菌孢子云团的位置确定之后， 增加266 nm波

长产生的荧光信号累加次数增至10 000时， 白天， 系统能够对距离为2.1 km

处的细菌孢子云团进行识别和探测； 在夜晚， 系统能够对距离为3.2 km处的细

菌孢子云团进行识别和探测。

如图6所示， 在探测误差小于10%的情况下， 白天时， 激光雷达对荧光信号采

集时的累加次数分别为1， 10， 100， 1 000和10 000时， 当探测距离为1.0

km， 系统对细菌孢子云团的最小探测浓度分别为15 100， 4 608， 1 441，

454和144个颗粒·L-1； 探测距离为3.0 km时， 最小探测浓度分别为306 000，

93 360， 29 190， 9 192和2 906个颗粒·L-1。 夜晚时， 探测距离为1.0 km

时， 系统对细菌孢子云团的最小探测浓度分别为8 386， 2 479， 768， 242和

77个颗粒·L-1； 探测距离为3.0 km时， 最小探测浓度分别为169 900， 50

230， 15 550， 4 884和1 541个颗粒·L-1。 结果表明， 在同一探测距离， 随

着对荧光信号采集时累加次数的增加， 系统对大气中细菌孢子的识别和探测能力

逐渐增强。

综上可知， 由于1 064 nm波长的激光脉冲具有较高的能量， 拥有较强的弹性回

波信号， 能够探测到位置距离较远的细菌孢子云团， 而266 nm波长的激发脉冲

能量较低， 与细菌孢子发生作用时， 产生的荧光回波信号强度较弱； 所以， 激

光雷达系统能够对距离较近的细菌孢子的生物属性进行识别。 因此， 当1 064

nm波长的激光脉冲对云团的位置进行确定时， 可通过增加荧光信号采集时的累

加次数， 进而提高激光雷达对细菌孢子云团的识别距离以及最小探测浓度。

为实现对大气生物气溶胶的预警和探测， 设计和构建了一台双波长荧光雷达， 并

对其探测细菌孢子的性能进行数值仿真分析。 结果显示， 在探测误差小于10%的

情况下， 当累加脉冲信号达10 000时， 白天情况下， 该系统能够对距离在2.1

km范围之内， 浓度为1 000个颗粒·L-1的细菌孢子云团进行有效的识别和探测；

夜晚情况下， 系统对细菌孢子云团探测的距离可达3.2 km。 通过对多波长激光

诱导荧光雷达系统的数值仿真分析可知， 该系统利用1 064 nm波长可对远距离

的云团位置进行确定， 然后266 nm波长对细菌孢子云团的生物属性进行识别，

并由荧光回波信号强度反演细菌孢子云团的浓度。 结果显示， 当距离为1.0 km

时， 白天情况下， 荧光信号采集累加次数为1时， 激光雷达能够探测细菌孢子的

最小浓度为15 100个颗粒·L-1； 当荧光信号采集累加数增至10 000时， 系统能

够探测到细菌孢子的最小浓度为144个颗粒·L-1。 夜晚情况下， 荧光信号采集累

加数为1时， 激光雷达能够探测细菌孢子的最小浓度为8 386个颗粒·L-1， 当荧

光信号采集累加数增至10 000时， 系统能够探测到细菌孢子的最小浓度为77个

颗粒·L-1。 结果表明， 当激光雷达对细菌孢子云团位置确定之后， 可通过增加荧

光信号采集时的累加次数， 进而提高系统对细菌孢子云团的识别和探测性能。

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