紫外激光荧光雷达探测生物气溶胶

邹炳芳 张寅超 刘小勤

（中国科学院安徽光学精密机械研究所 合肥 230031） E-mail:******************

摘要 对生化毒剂进行探测是LIF技术的主要应用领域[1] [2]。紫外激光荧光雷达是利用LIF技术进行远距离探测实现预警的重要手段之一，用于近地面至3.5km高度范围内生物气溶胶荧光信号垂直廓线的探测。对激光荧光雷达探测生物气溶胶的原理进行了简单的叙述，介绍了研制的激光荧光雷达的总体结构和技术参数，对其接收的荧光信号进行数值模拟，分析讨论了激光雷达参数对探测荧光信号信噪比影响。对真实系统的搭建具有重要的理论指导意义。

关键词 紫外激光荧光雷达 生物气溶胶 激光诱导荧光（LIF） 信噪比 数值模拟

UV fluorescence lidar detection of bioaerosols

Zou Bingfang Zhang Yinchao Liu Xiaoqin

(Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciencer Hefei 230031)

E-mail:******************

Abstract: Detecting biochemistry warfare is the main application domain of the Laser Induced Fluorescence (LIF) technique. UV fluorescence lidar is one of the important means in which LIF technique is used for stand-off detection and has the ability to achieve early warning, it could be used to detect the perpendicular distributing of the bioaerosols fluorescence from the ground to 3.5 km. The basic principal of the Fluorescence lidar on bioaerosols detection is described, the whole structure and technique parameters are introduced, a numerical simulation of the fluorescence of bioaerosols particles as a function of ranges is shown, the influence of the lidar parameter on the detected fluorescence signal-to-noise is discussed. It gives an important academic instruction on the constructing lidar system.

Key Words: UV fluorescence lidar bioaerosols Laser Induced Fluorescence (LIF)

signal-to-noise(SNR) numerical simulation

Ⅰ 引言

对生化毒剂进行探测是LIF技术的主要应用领域。20世纪90年代的海湾战争结束不久，有关国家，特别是美方就明确表示，在所有大规模毁灭性武器中，他们最为关切和忧虑的就是生物武器和毒气，其理由十分清楚，与核武器和化学武器相比，这些武器价格低廉且容易制造。此外，即使浓度低的生物战剂也有很强的杀伤力，以一种炭疽菌为例，所到之处80％未免疫的人都会被杀死。因此在生物战剂到达地面被人体吸收之前提出预警、有效地组织人员撤离是减少人员伤亡的有效途径，预警系统也就显得尤其重要。用激光荧光雷达探测生物气溶胶具有重要的战略意义，进行生物气溶胶荧光信号和信噪比的数值模拟计算对于确定激光荧光雷达的总体结构和技术参数，了解其探测生物气溶胶的性能是很有益的。本文叙述了激光诱导荧光的产生，介绍了我们正在研制的激光荧光雷达的结构，分析讨论了荧光信号和探测信噪比的模拟计算结果。 Ⅱ 激光诱导荧光的产生及系统描述[3]

当有机物质(如生物气溶胶) 的分子受到适当波长的激光照射时,一些处于基态的分子吸收光子而跃迁到激发态的某条能级上,并通过振动驰豫等无辐射跃迁转移到激发态能带的底部,在那里滞留很短的时间,经选择定则所允许的跃迁回到基态某能级,同时向外界辐射荧光。

图1 给出我们正在研制的激光荧光雷达的总体结构。它主要由激

光器，接收光学系统，信号探测系统和数据采集系统组成。由于荧光信号比较弱，用光子计数卡接收。表1为激光荧光雷达的技术参数。

图1。荧光激光雷达系统图

表1激光荧光雷达主要技术参数

激光器 波长（nm） 脉冲能量(mJ) 脉冲工作频率(Hz) 脉冲宽度(ns) 累计脉冲数 望远镜 直径(mm) 视场(mrad)

滤光片中心波长(nm) 滤光片带宽(nm) 总光学透过率

光电倍增管的量子效率 光电倍增管的暗记数(s-1) 采集时间(s)/垂直分辨率(m) 生物气溶胶的平均浓度(/L)

荧光中心波长(nm)及半高宽(nm)

NADH的量子产率 平均荧光截面(m2)

Nd:YAG 355

100(150) 20 20

2000(600,6000,12000) 近牛顿型 300 3(1,2) 465

60(2,10,20,40,80) 0.16(Tt=0.8，Tr=0.2) 0.2 500 0.1(15) 1000 465(160) 0.1 5E-12

Ⅲ 荧光信号的数值模拟计算 一 激光荧光雷达方程

当激光雷达从地面垂直向天空发射355nm波长的激光时，如果大气中含有生物气溶胶云，对每一发激光，其接收到高度Z处荧光信号光子数满

足荧光雷达方程[4]

2cE00A0d2Nr(z)npu(z)tt(c)T(,z)zNT(,z)(0,) (1) 002chczdd2其中：

zT(,z)expz'dz' (2)

0npu是发射激光脉冲数； 光电倍增管的量子效率；E0是发射的激光脉冲能量

（mJ）；0 发射激光波长；c是光速（3108ms1）；h 普朗克常量(6.62627610-34Js)；(z)是激光荧光雷达的几何重叠因子，在我们的计算中设其值恒等于1；A0是接收望远镜的有效接收面积（m2）；t0, t(c)分别是发射和接收光学单元的透过率； T(0,z)，T(,z)分别为对发射激光波长和接受荧光波长

激光雷达与被测生物气溶胶之间的单程大气透过率；z 垂直距离分辨率；N 生物气溶胶

d2的平均浓度； 非弹性散射体的微分散射截面，z z处的大气消光系数(km)。dd'-1

(0)Ad2(0,)(0,) (3) 表示为

dd4其中(0)为非弹性散射体对激发波长0的有效量子产率；A 是生物气溶胶的平均荧

光截面；()是归一化的生物气溶胶荧光光谱线型。

激光荧光雷达除了接收到大气回波信号Nr(z)外还接收到天空的背景光Nb以及探测器产生的暗记数Nd，它们分别表示为：

2NbPbArTrt (4) hc2NCPStd在（4）式中，Pb是天空背景辐射光亮度，对于355nm波长，白天设为0.2w/m2-sr-nm，夜晚可视为零；是接收望远镜的接收视场(rad)；是滤光片的半宽度(nm)；Tr是接收光学单元的透过率；CPS是探测器的暗计数（s-1）；其余参数的意义同前。

上述(1)-(4)式中的参数除(z)，(z)外，都可以从激光雷达的技术参数中获得。

(z)，(z)可以使用大气模式进行计算。

二 大气模式

大气分子消光模式与气溶胶消光模式分别用下面的两组公式来表示：

45323mz1.54*10expz/7 (5) zz*8/3mm

2532532365.13*10expz20/36az2.47*10expz/7 (6) zz*50aa

其中是激光波长，8/3是大气分子消光后向散射比，50为气溶胶相对于355nm波

长的气溶胶小光后向散射比。图2给出由上述两组公式计算的355nm波长的大气分子消光系数垂直廓线与大气气溶胶消光系数垂直廓线。

ZmZaZ，其中，m(Z)和a(Z) 分别是高度Z处的大气分子和气溶胶粒子的后向散射系数(km-1Sr-1)。TZ是大气透过率，可表示为：

TZexp{ZdZ} (3.1.2)

0Z其中的ZmZaZ，mZ和aZ分别是高度Z处的大气分子和气溶胶粒子的消光系数（km-1）。。

3010Altitude(km)Altitude(km)12051005431101101100.010.1Extinction coefficient(km-1)moleculeaerosol034567100110110110110110•Signal

图2模式大气分子和气溶胶粒子消光系数垂直廓线 图3模拟计算激光雷达荧光信号

将上述大桥模式和我们已有的激光荧光雷达技术参数代入到激光雷达方程（1）式计算出荧光模拟信号，结果如图3所示。

三 激光荧光雷达探测荧光信号的信噪比 荧光信号的信噪比可以写成下列的形式：

SNRzNszNsz2NbNdn （7）

式中，Nsz等同于（1）式中的 Nrz，Nbz和Nd由（4）式给出，n是发射的激光脉冲数。由（7）式可以看出，接收到某一高度上的大气后向散射的光电子数NSZ越多，天空背景辐射光Nb越低和探测器的暗计数Nd越小，该高度处回波信号的信噪比SNRZ就越高。同时增加发射激光脉冲数n也可以提高便携式米散射激光雷达的探测回波信号的信噪比。

10Altitude (km)500.1110100SNR110311041105100mJ(daytime)150mJ(daytime)100mJ(nighttime)150mJ(nighttime)

图4. 不同激光脉冲能量对白天和晚上SNR的影响

图4给出激光荧光雷达在探测的荧光信号信噪比廓线（设激光脉冲数n=2000），通常认为SNR>10可以基本满足反演生物气溶胶浓度的要求。从图中看到夜间探测时SNR比白天好的多。

参考文献：

[1].Steven D. Christesen 1994 Proc SPIE Vol. 2222 pp 228-237 [2]Steven C. Hill 1999 FIELD ANALYTICAL CHEMISTRY AND TECHNOLOGY 3(4–5): pp 221–239

[3] Yan Jixiang 2001 Lidar in Environment Monitoring(Beijing: Science Press) [4]. R.M. Measures 1984 LaserRemote Sensing: Fundamentals and Applications John Wiley & Sons, Inc. New York New York