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廈門(mén)大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)單光子拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng),它可以在水下操作,遠(yuǎn)程識(shí)別各種物質(zhì)。

石油能源的運(yùn)輸主要途徑是密布海底的輸油管道，為了保護(hù)海洋環(huán)境，檢測(cè)水下輸油管道是否存在泄漏是一個(gè)重大課題。

據(jù)《激光制造網(wǎng)》了解，近日，廈門(mén)大學(xué)宣布開(kāi)發(fā)出了一個(gè)新的單光子拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)，這是一款更緊湊、更節(jié)能的激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在惡劣的海底環(huán)境中操作使用，遠(yuǎn)程識(shí)別石油和其它物質(zhì)。將激光雷達(dá)系統(tǒng)集成到自主水下航行器中將使該設(shè)備更容易檢查深層管道，還可以探測(cè)沉積物類型和勘探海洋資源。

該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《應(yīng)用光學(xué)》的一篇論文稱，傳統(tǒng)的拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)依靠增加激光功率和望遠(yuǎn)鏡孔徑來(lái)實(shí)現(xiàn)遙感探測(cè),這導(dǎo)致了大系統(tǒng)尺寸和大功率消耗,使得激光雷達(dá)系統(tǒng)很難與水下飛行器相結(jié)合。利用單光子探測(cè)技術(shù)使這項(xiàng)工作成為可能。

盡管激光雷達(dá)的遙感能力通常與大氣應(yīng)用相關(guān)，從農(nóng)業(yè)測(cè)量到自動(dòng)駕駛汽車，但科學(xué)家們也一直致力于探索光子傳感技術(shù)的發(fā)展,將其作為通往更加通用的海洋激光雷達(dá)平臺(tái)的途徑,以將其能力擴(kuò)展到水下環(huán)境領(lǐng)域。傳統(tǒng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)深度有限,特別是在惡劣的海洋環(huán)境中，但是拉曼激光雷達(dá)探測(cè)彈性反散射光和特定分子的拉曼信號(hào),可以在不同深度使用,且不受海洋條件的影響。

在2023年5月，赫里奧特-瓦特大學(xué)就曾宣布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(shuō)由于該架構(gòu)允許增強(qiáng)的靈敏度，該設(shè)備適合水下使用。

據(jù)廈門(mén)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)介紹,他們的雷達(dá)設(shè)備長(zhǎng)40厘米,直徑20厘米,可承受水下1公里的運(yùn)行條件。

在測(cè)試演示中,新的激光雷達(dá)系統(tǒng)被用來(lái)檢測(cè)距離雷達(dá)系統(tǒng)幾米遠(yuǎn)的石英電池中的不同厚度的汽油。激光雷達(dá)系統(tǒng)和石英電池都被淹沒(méi)在一個(gè)巨大的水池中,深度為0.6米。在這些概念驗(yàn)證試驗(yàn)中,激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠檢測(cè)和區(qū)分1到15毫米范圍內(nèi)的汽油厚度。

“由于單光子的敏感性，用脈沖能量為1微焦耳的激光器和直徑為22.4毫米的望遠(yuǎn)鏡實(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)，”研究團(tuán)隊(duì)在論文中指出，“進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)演示，獲得了不同厚度的水下石油的距離分辨拉曼背向散射，距離達(dá)12米?！?/p>

研究人員現(xiàn)在正致力于增加單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)通道和拉曼光譜分辨率,以提高其鑒別水中不同物質(zhì)的能力。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)核礦物質(zhì)。