人眼安全的生物氣溶膠短程遙測系統(tǒng)

李　抄，楊子健，杜耀華，吳太虎，陳　鋒*

(1.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 衛(wèi)生裝備研究所，天津 300161；2.中國人民解放軍白求恩醫(yī)務(wù)士官學(xué)校 檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)教研室，河北 石家莊 050081)

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人眼安全的生物氣溶膠短程遙測系統(tǒng)

李抄1，楊子健2，杜耀華1，吳太虎1，陳鋒1*

(1.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 衛(wèi)生裝備研究所，天津 300161；2.中國人民解放軍白求恩醫(yī)務(wù)士官學(xué)校 檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)教研室，河北 石家莊 050081)

建立了滿足激光輻照人眼安全要求的便攜式生物氣溶膠短程遙測系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)有人員活動區(qū)域生物戰(zhàn)劑氣溶膠的實(shí)時預(yù)警監(jiān)測。以高頻調(diào)制的405 nm半導(dǎo)體激光器為激發(fā)光源，200 mm口徑的卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)為信號光收集系統(tǒng)，搭建了基于偽隨機(jī)調(diào)制的便攜型生物氣溶膠激光雷達(dá)短程遙測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備平行偏振散射、垂直偏振散射光探測，以及450 nm和530 nm兩個波段熒光探測等四個同步探測通道。以枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌和酵母菌為樣本對該激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了初步測試。外場試驗(yàn)表明，該生物氣溶膠遙測系統(tǒng)的空間分辨率為1.5 m，熒光通道的探測距離為100 m；3種被測生物氣溶膠種類識別的回代誤報(bào)率分別為9%、11.5%和14.5%，交叉誤報(bào)率為11.3%。該遙測系統(tǒng)的激光能量低于激光輻照人眼安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，基本實(shí)現(xiàn)了生物氣溶膠的甄別。

激光雷達(dá)；生物氣溶膠；激光輻照；人眼安全；偽隨機(jī)調(diào)制

1　引　言

施放生物戰(zhàn)劑氣溶膠是實(shí)施生物攻擊的一種主要方式，也是唯一能使生物武器發(fā)展成大規(guī)模殺人武器的攻擊方式，一旦使用會造成很大的傷亡，更重要的是由于生物戰(zhàn)劑感染途徑的隱蔽性，將給社會帶來更大的恐慌。近年來，各個國家越來越重視對生物武器的防預(yù)。早期預(yù)警是針對生物武器襲擊進(jìn)行有效防御和降低損失的必要措施。

生物氣溶膠激光雷達(dá)技術(shù)是早期預(yù)警的主要技術(shù)手段[1-4]。目前，生物氣溶膠激光雷達(dá)主要采用生物自體熒光技術(shù)，通過彈性散射光進(jìn)行異常濃度氣溶膠的搜尋和定位，然后探測異常濃度氣溶膠的紫外激發(fā)熒光，通過熒光特性甄別是否是生物戰(zhàn)劑氣溶膠，甚至判別生物戰(zhàn)劑類別[5-6]。雖然基于生物自體熒光的雷達(dá)探測存在一定的誤報(bào)率，難以準(zhǔn)確區(qū)分生物戰(zhàn)劑氣溶膠和自然本底干擾物，但對于早期預(yù)警而言仍然意義重大。此外，由于生物粒子自體熒光的發(fā)光效率極低，在熒光激光雷達(dá)中一般采用大功率的紫外固態(tài)激光器作為激發(fā)光源，以獲得較理想的探測信噪比和較高的探測靈敏度。如美軍研制的JBSDS激光雷達(dá)系統(tǒng)[6]，該系統(tǒng)采用的熒光激發(fā)激光器為355 nm的YAG激光器，單脈沖能量為150 mJ，熒光探測距離約為1 km；加拿大的SINBAHD激光雷達(dá)系統(tǒng)[7]，配備了波長為351 nm的脈沖激光器，脈沖頻率約為20 Hz，脈沖能量為200 mJ，該系統(tǒng)的熒光通道探測距離約為1.4 km。目前，常規(guī)的生物氣溶膠激光雷達(dá)的探測距離可達(dá)1 km以上，但一般體積較大，需要車載或艦載移動使用，且由于激光能量過高，如果直接照射人體將造成灼傷，因此只能用于開闊、無人員活動區(qū)域的監(jiān)測預(yù)警。而反生物恐怖襲擊主要是對大型場館和開放廣場進(jìn)行預(yù)警，環(huán)境較復(fù)雜、人流較多，因此常規(guī)的激光雷達(dá)無法適用。在反恐生物預(yù)警應(yīng)用中，激光雷達(dá)的探測距離要求不高，但便攜性要好、可靈活部署、且激光強(qiáng)度必須對人體無傷害。考慮激光輻照人眼的安全問題，C.R.Prasad等人研制了低功率、短距離的生物氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)[8]，采用375 nm 的半導(dǎo)體激光為激發(fā)光源，探測距離為100 m。

除生物熒光激光雷達(dá)技術(shù)外，基于偏振散射特性也可以實(shí)現(xiàn)生物戰(zhàn)劑氣溶膠的判別。Shane D. Mayor 等人以1.54 μm的近紅外激光器為光源[9-11]，通過探測氣溶膠云團(tuán)的消偏振特性進(jìn)行生物戰(zhàn)劑識別，獲得了良好的試驗(yàn)結(jié)果；Prashant Rama等人在實(shí)驗(yàn)室測試了不同種類生物氣溶膠在可見-近紅外波長范圍內(nèi)的偏振散射特性[12]，結(jié)果表明各種生物氣溶膠的偏振散射光譜具有明顯的差異。

本文采取生物熒光與偏振散射相結(jié)合的方式進(jìn)行生物氣溶膠的探測甄別，以減小生物氣溶膠預(yù)警的誤報(bào)率。針對有人員活動場合的生物氣溶膠預(yù)警的使用要求，采用低功率、小體積的半導(dǎo)體激光器為激發(fā)光源，以商業(yè)化的集成卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)收集熒光，搭建了便攜式四通道生物氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)。最后，對模擬生物氣溶膠進(jìn)行了初步探測試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了不同種類生物氣溶膠的判別，探測距離可達(dá)100 m。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

如圖1所示，生物氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)主要包括3部分：激光發(fā)射部分，主要實(shí)現(xiàn)激光束的擴(kuò)束整形以及同軸發(fā)射；信號光接收裝置，完成散射光和熒光信號的收集、分光和探測；信號采集與處理裝置，由基于現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)的控制板和計(jì)算機(jī)組成，除進(jìn)行信號采集和處理外，還用于控制激光器的高速調(diào)制輸出。

圖1生物氣溶膠短程遙測系統(tǒng)構(gòu)成圖

Fig 1Schematic of LIDAR system for short-range stand-off detection of bio-aerosols

圖1中，激光器為輸出波長為405 nm的商品化半導(dǎo)體激光器，為連續(xù)輸出激光器，光功率為100 mW，直接輸出光束直徑約為1.5 mm，發(fā)散角約為0.5 mrad，偏振比為100∶1，尺寸僅為80 mm×35 mm×35 mm，可直接安裝到望遠(yuǎn)鏡主鏡筒上。通過激光控制器可進(jìn)行TTL調(diào)制輸出，最大調(diào)制頻率為150 MHz，上升、下降時間均小于2 ns。在選擇激光器時，主要考慮激光器的小型化、易于集成性和生物熒光的探測要求，405 nm 激光具有較高的熒光激發(fā)效率，雖然較少應(yīng)用在激光雷達(dá)中，但已成功應(yīng)用于生物氣溶膠報(bào)警器中[13]；相對而言，375 nm波長的半導(dǎo)體激光器功率低，且有機(jī)物不完全燃燒產(chǎn)物(主要是多環(huán)芳香烴)在375 nm激發(fā)下的熒光效率較高，易產(chǎn)生干擾。這里選取萘作為典型的多環(huán)芳香烴代表，實(shí)測了萘的三維熒光光譜，如圖2所示，在405 nm激發(fā)光下的熒光效率不到375 nm 熒光效率的10%。激光整形采用一組焦距比為20∶1 的透鏡組進(jìn)行擴(kuò)束，長焦透鏡lens-2可進(jìn)行距離微調(diào)，通過微調(diào)lens-2距離來控制光束發(fā)散角。通過擴(kuò)束，一方面減小輸出光束的能量密度，提高激光輻照人眼的安全性能；另一方面，擴(kuò)束后可增加光束對氣溶膠的有效輻照面積，減小細(xì)光束因輻照面積小、覆蓋粒子數(shù)少而帶來的統(tǒng)計(jì)噪聲。擴(kuò)束后，在出射口的光束直徑約為30 mm，發(fā)散角約為1.5 mrad。在有效探測距離20～200 m，按照激光輻照人眼裸視安全標(biāo)準(zhǔn)要求計(jì)算[14]，單一脈沖能量約為標(biāo)準(zhǔn)要求的0.01%，持續(xù)時間為2.5 s、占空比為40%的脈沖串的平均功率為標(biāo)準(zhǔn)要求的95%。由于激光自身偏振度僅為100∶1，因此在lens-2后設(shè)置偏振片P1，用于提高輸出光束的偏振度。

圖2　萘的三維熒光光譜

信號光收集采用卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)，口徑為200 mm，焦距為2 m，主鏡筒長度僅為450 mm，次鏡可進(jìn)行距離微調(diào)，從而得到最佳探測距離。本系統(tǒng)采用的光電探測器為H10682e型光子計(jì)數(shù)器[15]，信號探測為四通道同步探測。其中D1和D2通道為水平偏振和垂直偏振散射光，D3為450 nm熒光通道，D4為530 nm熒光通道。D1通道檢偏器P2方向與起偏器P1方向垂直，D2通道檢偏器P3方向與起偏器P1方向平行。F1和F2為中心波長為405 nm的窄帶濾光片，用于消除散射通道的背景光干擾，提高探測靈敏度?；赥矩陣散射原理[16]，粒子散射的偏振特性與粒子的形狀、大小和折射率有關(guān)，而不同種類的粒子的物理參數(shù)一般是不同的，尤其對于桿狀等非球形粒子，偏振度與粒子的長寬比具有很好的相關(guān)性。

圖3　枯草芽孢桿菌、金黃葡萄球菌和酵母菌熒光光譜

熒光探測波長的選取主要基于被測物的熒光光譜特性。圖3所示為使用Fluorolog3-21熒光光譜儀測得的枯草芽孢桿菌(B.subtilis)、金黃葡萄球菌(S.aureus)和酵母菌(Yeast)在375 nm 和405 nm激發(fā)下的熒光光譜。測試時，枯草芽孢桿菌、金黃葡萄球菌為108cfu/mL溶液狀態(tài)，酵母菌為粉末狀(為便于對比，畫圖時將酵母菌信號強(qiáng)度縮小了200倍)。對于枯草芽孢桿菌、金黃葡萄球菌，375 nm激發(fā)下432 nm的尖峰、405 nm激發(fā)下471 nm的尖峰均為水的拉曼散射峰。酵母菌屬于真菌類，其主要熒光成分為NADH和核黃素，而枯草芽孢桿菌和金黃葡萄球菌的主要熒光成分為色氨酸和絡(luò)氨酸，因此酵母菌的熒光光譜相對枯草芽孢桿菌和金黃葡萄球菌差異顯著[17]。從圖3可以看出，405 nm激發(fā)下，在450 nm 處三者的發(fā)光強(qiáng)度差異顯著，但在530 nm 處三者的發(fā)光強(qiáng)度差異很小，因此熒光探測通道選定為450/30 nm和530/50 nm兩個通道。

由于所選用的光電探測器為光子計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)脈沖寬度為10 ns，電平高度為2.2 V，因此本文選用FPGA作為信號采集單元，其數(shù)字電平識別范圍為2～3.3 V，光子計(jì)數(shù)脈沖的輸出信號可直接作為“數(shù)字”信號被FPGA識別，而且FPGA具有突出的并行處理能力，可很容易地完成四通道高速同步計(jì)數(shù)采樣。此外，對于連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器，在激光雷達(dá)系統(tǒng)中可采取微脈沖調(diào)制或者偽隨機(jī)調(diào)制方式進(jìn)行同步控制；而在激光輸出功率一定的條件下，采取偽隨機(jī)控制方式可大幅提高系統(tǒng)的探測信噪比[18-19]，所以本文采取偽隨機(jī)激光雷達(dá)控制方式，基于同一個FPGA芯片進(jìn)行激光器的偽隨機(jī)調(diào)制。偽隨機(jī)碼的序列長度為254 bit，調(diào)制頻率為100 MHz，可實(shí)現(xiàn)的空間分辨率為1.5 m，最大探測距離為Lc=1.5×255=382.5 m。由于熒光信號非常微弱，為進(jìn)一步提高信噪比，實(shí)際探測中，對同一個角度的單次探測重復(fù)偽隨機(jī)碼為100萬次，并對這100萬次返回信號進(jìn)行自動累加，因此單次測試時間約為2.5 s。

3　試驗(yàn)結(jié)果

本文對該雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了夜間的外場試驗(yàn)，時間為晚上20：00～23：00，環(huán)境溫度為23～27 ℃，濕度為47%，風(fēng)速小于1 m/s。以枯草芽孢桿菌、金黃葡萄球菌和酵母菌為被測對象，配置濃度約為108cuf/mL的溶液，利用生物氣溶膠發(fā)生器在開放空間生成氣溶膠云團(tuán)，單次測試氣溶膠的持續(xù)生成時間約為15 s，前10 s進(jìn)行預(yù)生成，10～15 s內(nèi)進(jìn)行測試。圖4為外場試驗(yàn)裝置的實(shí)物圖，激光雷達(dá)安裝在三角架上，距離地面約1.5 m；所生成的生物氣溶膠云團(tuán)距離地面1.5～2 m。為監(jiān)測實(shí)際生成的氣溶膠濃度，采用TSI-9350型粒子計(jì)數(shù)器對氣溶膠進(jìn)行同步計(jì)數(shù)監(jiān)測。

圖4　生物氣溶膠遙測裝置實(shí)物圖

試驗(yàn)首先測試了自然本底氣溶膠的激光雷達(dá)信號(測試俯仰角為10°)。如圖5所示，由上到下依次為平行偏振通道、垂直偏振通道、450 nm熒光通道和530 nm熒光通道信號，紅、綠、藍(lán)不同顏色曲線代表3次重復(fù)測試的結(jié)果(彩圖見期刊電子版)。從圖中可以明顯看出，在偏振散射通道具有明顯信號，但熒光通道無信號特征。因此，自然本底氣溶膠幾乎無熒光效應(yīng)；同時自然本底氣溶膠散射具有很好的消偏振特性。散射通道的信號峰值在約25 m處，0～20 m的極低信號是由望遠(yuǎn)系統(tǒng)中次鏡的遮擋導(dǎo)致的；而大于20 m范圍內(nèi)的信號分布則受該雷達(dá)系統(tǒng)的幾何因子和光強(qiáng)隨距離平方衰減兩個因素的共同作用。

然后進(jìn)行了實(shí)際樣本單點(diǎn)測試。激光雷達(dá)距離生成的生物氣溶膠云團(tuán)約90 m，通過調(diào)節(jié)激光雷達(dá)的水平角和俯仰角使其探測視場與氣溶膠云團(tuán)中心重合。圖6所示為對枯草芽孢桿菌氣溶膠進(jìn)行測試時的雷達(dá)回波信號(測試距離約為90 m，粒子計(jì)數(shù)器同步監(jiān)測的氣溶膠濃度約為106PPL)，各通道同步探測誤差小于2個脈沖周期，平行和垂直偏振散射通道信號很強(qiáng)，累計(jì)信號強(qiáng)度接近2×106；熒光通道信號較弱，累計(jì)信號計(jì)數(shù)小于5×104，實(shí)際信噪比僅約為3.5。金黃葡萄球菌和酵母菌的測試原始信號強(qiáng)度與枯草芽孢桿菌類似，此處不再贅述。

圖5　自然環(huán)境本底氣溶膠的雷達(dá)回波信號

圖6　枯草芽孢桿菌生物氣溶膠的實(shí)際測試信號

最后進(jìn)行了細(xì)菌種類的區(qū)別實(shí)驗(yàn)。同樣生成濃度約為106PPL的生物氣溶膠，但將激光雷達(dá)系統(tǒng)與生成氣溶膠的距離縮小到30 m，以提高雷達(dá)熒光通道信號的信噪比。對酵母菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌分別重復(fù)測試了50次，結(jié)果如圖7所示。每個點(diǎn)代表一次測試結(jié)果，x軸為530 nm 熒光通道信號，y軸為450 nm熒光通道信號，z軸為退偏度。為消除激發(fā)光功率變化帶來的影響，這里采用熒光效率衡量熒光信號，將熒光計(jì)數(shù)除以2路散射光計(jì)數(shù)之和作為熒光效率。退偏度為：

(1)

其中I∥和I⊥分別代表平行和垂直偏振散射通道的信號強(qiáng)度。由于金黃色葡萄球菌為球形結(jié)構(gòu)，因此其退偏度較小。

該激光雷達(dá)最終測得的氣溶膠指標(biāo)為散射光的退偏振度和2個波段的熒光信號。基于測得數(shù)據(jù)的分布特征，嘗試用模式識別算法中基于馬氏距離的線性判別分類方法進(jìn)行氣溶膠歸類計(jì)算。設(shè)X是從均值為μ協(xié)方差為ν的母體G中抽取的樣本，則樣本X與母體G的馬式距離D2(X，G)為：

D2(X，G)=(X-μ)′ν-1(X-μ).

(2)

設(shè)母體G的分類數(shù)為N，其中樣本X的歸類判斷準(zhǔn)則為：

D2(X，Gi)≤D2(X，Gk)(k=1，…，N，k≠i)，

則X屬于母體Gi。

圖7酵母菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌氣溶膠信號的三維分布圖

Fig.7Classification of samples according to three-dimensional distribution of aerosol singnals

首先基于實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，分別計(jì)算3類被測生物氣溶膠在三維坐標(biāo)系下(如圖7)的母體均值μi和協(xié)方差νi，然后按照上述分類判斷準(zhǔn)則將所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)回帶進(jìn)行分類判別驗(yàn)證。結(jié)果表明，酵母菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌的回代誤報(bào)率分別為9%、11.5%和14.5%，整體交叉誤報(bào)率為11.3%。

4　結(jié)　論

本文設(shè)計(jì)并搭建了便攜型生物氣溶膠短程激光雷達(dá)系統(tǒng)，采用405 nm、100 mW的半導(dǎo)體激光器為激發(fā)光源，激光束經(jīng)整形后約為激光輻照人眼安全要求的95%；采用成品化的卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行信號光收集，并進(jìn)行平行偏振、垂直偏振散射光，以及450 nm和530 nm兩個熒光通道的同步探測。該激光雷達(dá)系統(tǒng)采用偽隨機(jī)控制方案，通過FPGA模塊實(shí)現(xiàn)激光器的偽隨機(jī)高速調(diào)制和4個探測通道的信號同步采集，空間定位分辨率為1.5 m。以枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌和酵母菌為樣本對該激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了初步測試。外場試驗(yàn)表明：該激光雷達(dá)系統(tǒng)熒光通道的探測距離可達(dá)100 m(氣溶膠濃度為106PPL)，通過基于馬氏距離的線性判別分類法基本實(shí)現(xiàn)了對3種生物氣溶膠的種類甄別。不過，該激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測靈敏度還有待于進(jìn)一步的提高，此外還需要進(jìn)行大量試驗(yàn)來檢驗(yàn)其探測性能，并在試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行生物氣溶膠種類的識別算法的優(yōu)化。

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YANG Z J， CHEN F， LI CH，etal.. Key optimization of light source parameters of lidar system for bioaerosol detection [J].MilitaryMedicalScience， 2015， 39(8)： 577-582.(in Chinese)

李抄(1982-)，男，河北保定人，博士，助理研究員，2011年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事環(huán)境微生物快速檢測方面的研究。E-mail： nk_lich@hotmail.com

陳鋒(1978-)，男，山東菏澤人，博士，副研究員，2012年于天津大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所醫(yī)用電子技術(shù)與裝備研究室主任，主要從事生物戰(zhàn)劑偵檢方面的研究。E-mail： chenfenghj@163.com

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Eye-safe LIDAR for short-range stand-off detection of bio-aerosols

LI Chao1， YANG Zi-jian2， DU Yao-hua1， WU Tai-hu1， CHEN Feng1*

(1.InstituteofMedicalEquipment，AcademyofMilitaryMedicalSciences，Tianjin300161，China；2.MedicalLaboratory，BethuneMedicalNCOAcademy，Shijiazhuang050081，China)

*Correspondingauthor，E-mail：chenfenghj@163.com

A portable bio-aerosol short-rang lidar-measuring system which meets laser irradiation eye-safe requirement was established to realize real-time warning and monitoring of aerosol of biological warfare agent in human activity areas. Taking a 405 nm semiconductor laser with high-frequency modulation as the excitation light source and a 200 mm-caliber Cassegrain telescope system as the signal light collection system， the portable bio-aerosol laser radar short-range lidar-measuring system based on pseudo-random modulation was mounted. The system was equipped with 4 synchronizing detection channels: parallel polarization scattering and vertical polarization scattering light detection, 450 nm and 530 nm waveband fluorescence detections. Bacillus subtilis, staphylococcus aureus and yeast was taken as examples in the preliminary test of the laser radar system. The out-field experiment shows that the spatial resolution of the bio-aerosol lidar-measuring system is 1.5 m and detection distance of fluorescence channel is 100 m; the false alarm rate of back substitution for variety recognition of three bio-aerosols is 9%, 11.5% and 14.5% and crossing false alarm rate is 11.3%. The laser energy of the lidar system is lower than the requirement of laser irradiation eye-safe standard and it realizes identification of bio-aerosols basically.

laser LIDAR; bio-aerosols; laser radiation; eye safe; pseudo-random modulation

2015-12-03；

2016-02-01.

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(No.2012ZX10004801)

1004-924X(2016)07-1600-07

TN958.58；X835

Adoi:10.3788/OPE.20162407.1600