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海洋塑料污染已成为全球日益严重的环境问题，威胁着生态系统与人类的生活。传统的塑料监测方法成本高、效率低，难以应对复杂的海洋环境。为此，日本激光技术研究所的研究人员开发了一种新型高光谱拉曼成像激光雷达系统，能够在远距离精确识别并分析各种类型的塑料。该系统结合了激光雷达与高光谱拉曼光谱技术，不仅能够提高检测效率，还可广泛应用于海洋及陆地塑料废弃物的监测与清理工作，为未来海洋塑料污染的监测与分析提供了重要的技术支持。来自日本激光技术研究所的研究小组组长Toshihiro Somekawa表示：“塑料污染对海洋生态系统和人类生计构成了严重威胁，影响了渔业、旅游业和航运业等多个行业， 要管理和保护海洋环境，必须评估塑料碎片的大小、浓度和分布，但传统的实验室方法往往耗时、费力且成本高昂。”在Optics Letters上，研究人员介绍了他们的新系统。该系统结构紧凑、能耗低，适合安装在无人机上使用。他们的研究表明，该系统可以在1 mm×150 mm的较宽视场中识别6 m外的塑料。Toshihiro Somekawa 说道：“配备了我们的激光雷达传感器的无人机可用于评估陆地或海洋中的塑料废弃物，为更有针对性的清理和预防工作铺平道路。此外，该系统还可应用于其他监测领域，如检测有害气体泄漏。”突破性进展：结合激光雷达与高光谱拉曼成像技术实现远程塑料污染监测
研究人员此前展示了一种基于闪光拉曼激光雷达技术的监测系统，该系统通过将带通滤波器与每个测量目标匹配，进行连续性探测。然而，这种技术在检测海洋塑料方面存在局限性，因为切换滤光片的过程会干扰即时的三维测距和检测。其他研究团队已经探索了使用高光谱拉曼成像技术来监测塑料污染。这种技术将拉曼光谱与成像技术相结合，能够捕捉整个样本的空间分辨化学信息，从而生成分子组成和结构的详细图谱。然而，传统的高光谱拉曼成像技术只能探测靠近仪器的目标。为了实现远程探测，研究人员将激光雷达用于距离测量，并与高光谱拉曼光谱技术相结合。该系统包括一台用于激光雷达测量的532 nm脉冲绿色激光器，以及一台配备门控增强型CCD（ICCD）的二维成像光谱仪。来自远距离目标反向散射的拉曼信号以垂直线的形式被检测到，每个点所包含的高光谱信息则沿水平方向记录。使用能够在纳秒级时间尺度上实现选通的ICCD相机，对于实现具有精细量程分辨率的拉曼激光雷达测量至关重要。![]()
图1 高光谱拉曼成像激光雷达系统原型包括脉冲 532 nm 绿色激光器和带门控 ICCD 的二维成像光谱仪
（图源：Toshihiro Somekawa，激光技术研究所）精确识别与成像：高光谱拉曼激光雷达系统在远距离塑料检测中的应用
Toshihiro Somekawa说道：“我们设计的系统可以同时获取图像和光谱测量结果，由于每种塑料的拉曼光谱都是独一无二的，因此成像信息可用于了解塑料碎片的空间分布和类型，而由于脉冲激光实现了范围分辨测量，因此可以从任何距离的目标获取高光谱信息。”研究人员在一个塑料样品上测试了他们的原型系统，样品上部为聚乙烯片，下部为聚丙烯片。在 6 m之外，该系统能够获取每种塑料的特征光谱，并生成显示塑料垂直分布的图像。研究人员说，ICCD 相机在 6 m远距离上的成像像素尺寸为 0.29 mm，这意味着使用高光谱拉曼成像激光雷达系统可以测量和分析小型塑料碎片。图2 研究人员展示了他们的新型高光谱拉曼成像激光雷达系统，该系统可在 6 米外探测和识别各种塑料。他们测试的塑料样品（如图）上部为聚乙烯片材，下部为聚丙烯片材
（图源：Toshihiro Somekawa，激光技术研究所）下一步，研究人员计划利用该系统监测漂浮或浸没在水中的微塑料。这应该是可行的，因为波长在532 nm左右的激光能够有效穿透水层，从而提高水生环境中微塑料的探测能力。论文信息：
Paper: T. Somekawa, S. Kurahashi, S. Matsuda, A. Yogo, H. Kuze, “Remote Detection and Identification of Plastics with Hyperspectral Raman Imaging Lidar,” Opt. Lett., 50, 57-60 (2024).成像技术在过去的二十年里经历了彻底的革命：从新的硬件到人工智能革命，从不断完善成熟的方法到全新概念的萌发，从X射线到太赫兹波再到多波长方法，在显微镜、天文学、视觉科学和复杂媒体成像等方面都见证了巨大的进步。但是庞大的研究群体与有限的学术交流平台之间的差异，使成像领域亟需一本全新的、具有高度选择性的专业学术期刊。
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Advanced Imaging 为研究人员、科学家和专业人士提供一个良好的平台，致力于分享成像领域的基本理论、最新发现、重要思想和应用突破。今年8月，Advanced Imaging 首期文章出版，为先进成像技术领域注入了新的活力。我们期待该期刊能够成为成像科学领域的典范，引领科研人员在成像技术的广阔天地中不断探索、创新，成为连接全球成像领域研究人员、科学家和专业人士的重要桥梁，共同开创成像科学的辉煌未来！researching.cn/ai
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