国外生物战剂激光探测技术及装备研制进展

吴 胜，吴慧云，李 鑫，徐卸古

国外生物战剂激光探测技术及装备研制进展

吴 胜，吴慧云，李 鑫，徐卸古

介绍了生物战剂激光诱导荧光探测技术的基本原理及激光诱导荧光探测系统的基本结构，分析了该技术在生物战剂侦察报警领域的应用优势，综述了近年来美国、加拿大、欧洲等国家地区生物战剂激光诱导荧光探测技术发展及装备研制的进展情况。最后指出了该技术亟待解决的问题及应用前景，以期为国内在该领域的研究提供参考。

生物战剂；激光诱导荧光；侦察报警

0 引言

生物武器的杀伤性主要来源于生物战剂，其首次使用始于第一次世界大战[1]。近百年来，生物战剂以其致病性及传染性强、制造成本低、污染面积大、影响时间长的特点，一直威胁着人类的安全[2-3]。面对生物战剂在世界范围内大规模突发事件、恐怖活动和非军事领域的非法使用，世界各国越来越重视生物安全防御，并纷纷投入大量人力物力开展生物战剂侦检技术研究与装备研制[4-7]。传统的生物战剂侦检主要依靠检测人员的接触式采样、现场检测，或将采样样品带回实验室进行培养、分析与鉴定，检测过程时间长、速度慢，而且接触式检测会对检测人员自身的安全造成严重的威胁[7]。

20世纪末，伴随着激光器技术、光电器件制造技术和光谱检测技术的发展，激光诱导荧光探测技术已经逐步发展成为生物战剂非接触式、实时在线探测的主要技术手段之一[8-9]。与接触式检测手段相比，激光诱导荧光探测技术具有非接触式、远距离、反应迅速、预警时间长和三维实时监控等优点。而对生物战剂的远程探测和威胁报警是发现敌方使用生物武器并及时采取防护措施、减少人员伤亡的关键。如今，许多国家都在致力于研究和发展性能可靠的、灵敏度高的、预警准确的生物战剂激光诱导荧光探测技术和装备。本文就生物战剂激光诱导荧光探测技术原理及装备发展情况综述如下。

1 激光诱导荧光探测技术原理

1.1 荧光与荧光基团

组成物质的分子都具有一系列紧密相隔的能级，称为电子能级，每个电子能级中又包含一系列振动能级和转动能级。在常温条件下，绝大部分分子都处于基态，即能量最低的电子能级。当分子受到适当波长的激光照射时，基态上的部分分子吸收光子，并在很短的时间（约10-15s）内跃迁到激发态上。处于激发态的分子不稳定，会通过多种途径释放能量回到基态[10]。这种分子从激发态向基态跃迁的过程称为弛豫过程，包括振动弛豫、内转换、外转换、系间跨跃等非辐射过程和荧光发射等辐射过程。当激发态分子通过振动弛豫、内转换等非辐射过程跃迁到第一激发态的最低振动能级时，短暂停留后（10-9～10-8s）向基态跃迁，以发射出光子的形式释放出能量，这一过程称为荧光发射[11]。

处于某一分子环境的荧光基团，其荧光特性可由激发波长（excitation wavelength，λex）、发射波长（emission wavelength，λem）和量子产率（quantum yield）3个参数表征[12]。通常，荧光基团的激发谱较宽、发射谱较窄。因为荧光发射总是从振动弛豫后的第一激发态的最低振动能级跃迁的，因此荧光的特征之一就是λem＞λex，而且λem与λex无关。但荧光基团在不同波长激发光激发下，量子产率不同，荧光强度也就不同。对于复杂混合物，如细菌、真菌、花粉等，它们的荧光光谱是由各类荧光基团的荧光光谱叠加而成的[11]。研究表明，生物粒子中各种荧光基团的荧光光谱主要集中在300～800 nm[13]，常见的生物粒子荧光基团的激发与发射谱如图1所示[12]。其中，色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸（λex=～270 nm）属于氨基酸类，而氨基酸是组成蛋白质的基本单元，存在于所有生物有机体中；NADPH（λex=～340 nm）、核黄素（λex=～450 nm）和维生素B6（λex=～325 nm）属于辅酶类，存在于新陈代谢较旺盛的生物有机体中，而无明显新陈代谢活动的有机体（真菌孢子、细菌孢子及花粉等）中则含量很低，因此可作为有生命活性有机体的标志物；纤维素（λex=250～350 nm）、壳质（λex=～335 nm）属于结构化合物类，是细菌、真菌等生物粒子细胞壁的主要组成物质。生物粒子中各种荧光基团的含量不同，在激光诱导下的荧光量子产率也不同，相应的荧光强度就不同，而非生物粒子在300～800 nm范围内几乎没有荧光[14]。因此，利用不同粒子总荧光强度及荧光光谱的差异来区分生物粒子和非生物粒子，可以实现生物战剂气溶胶的精确预警。

图1 常见的生物粒子荧光基团的激发与发射谱

1.2 激光诱导荧光探测系统

激光诱导荧光远程探测系统的结构组成如图2所示，系统核心由光源与发射模块、信号接收模块、光电转换与测量模块和系统控制与数据分析模块4个部分组成，另外还有动力单元和冷却系统、自动报警模块等。光源与发射模块通常由激光器、光束准直器和光束发射装置组成，用于向目标处发射激光。目前，生物气溶胶激光诱导荧光探测系统常用的激光波长主要是266和355 nm，分别用于激发氨基酸类和辅酶类物质的荧光[15]。信号接收模块主要包括接收望远镜、分光装置、滤光片、光谱仪等，主要作用是接收回波信号（包括弹性后向散射信号、荧光信号等），并根据不同的波长导入相应的探测通道。光电转换与测量模块的主要作用是将接收到的光信号转换成可测量的电信号，并由探测器测量。常用的探测器有光电倍增管、雪崩二极管和ICCD成像装置等。系统控制与数据分析模块即系统的软件部分，主要职责是确保激光发射、回波信号接收、光电转换、测量和存储能够协调工作，以及对所得的数据进行分析处理，为生物战剂威胁报警提供依据。激光诱导荧光探测系统工作时，光源产生激光束，激光束经准直后由发射装置发射至目标处，光束与目标处气溶胶云团相互作用后的回波信号由接收装置接收，接收信号经滤波后进行光电转换和测量，完成对目标处气溶胶的探测，并依据数据分析结果作出是否存在生物战剂及种类的判断。

图2 激光诱导荧光探测系统结构图

2 生物战剂激光诱导荧光探测装备的发展情况

自20世纪90年代开始，美、加、英、德、法等国相继开展生物战剂激光诱导荧光探测技术的研究，取得了很大进展，并已研制出多种型号的探测装备。

2.1 美国

1994年，美国陆军埃奇伍德研究、发展与工程中心为评估生物荧光效应在生物气溶胶探测与分辨中的能力，研制出一台用于生物气溶胶远程探测的激光诱导荧光雷达系统[16]。系统采用波长266 nm、最大单脉冲能量235 mJ、脉冲重复频率10 Hz的Nd：YAG激光器；利用直径16 in（1 in=25.4 mm）、视场角1.0 mrad的卡塞格林望远镜收集回波信号；分别使用光电倍增管、光谱仪及ICCD成像装置实时监测266 nm弹性后向散射光、300～400 nm总荧光强度信号和荧光光谱信号。外场试验结果表明，当探测距离为3 km时，系统对枯草杆菌黑色变种芽孢气溶胶的最低探测质量浓度为500 mg/m3。

1996年，美国陆军化学和生物防御司令部与Fibertek公司签订了2台用于生物战剂探测的激光雷达系统的合同，合同金额为948万美元，研制时间为3a[17]。系统光源波长289nm，为波长266nm的Nd：YAG激光器经拉曼频移得到。289 nm激光可以有效激发生物气溶胶中的色氨酸分子。同时，大气中的臭氧对289 nm激光的吸收作用较弱，可以有效降低激光在大气传输中的消光效应。该雷达系统使用光电倍增管对300～400 nm范围内的总荧光强度进行测量，其设计的最远探测距离为5 km，可用于生物气溶胶云团的探测和跟踪，以及区分生物气溶胶粒子和非生物气溶胶粒子。

此外，美国陆军化学和生物防御司令部分别于1996年和1999年研制了长距离生物气溶胶探测系统（longrangebiologicalstandoffdetectionsystem，LR-BSDS）和短距离生物气溶胶探测系统（short range biological standoff detection system，SR-BSDS）。LR-BSDS由Continuum公司的Surelite l-20型红外激光发射器、接收望远镜、信号采集和处理模块等组成，用于对运动中的生物气溶胶云团进行探测、测距和跟踪，最大探测距离达30 km[18-19]。LR-BSDS质量为590 kg，体积为3 m3，安装在UH-60型直升飞机内，并在机上完成信号处理，系统实物图如图3所示[20]。之后，美军又在LR-BSDS的基础上研制了第二代激光雷达系统，称为反扩散长距离生物气溶胶探测系统（counter-proliferation system，CP LR-BSDS）[21-22]。CP LR-BSDS采用二极管泵浦钾钛砷光参量振荡激光器作为激光源，波长为1.54μm，单脉冲能量为330mJ，脉冲重复频率为100 Hz，并且符合人眼安全的要求；利用直径24 in的接收望远镜接收回波信号；使用电子传输增强型光探测器测量弹性后向散射信号强度，提供生物气溶胶云团的轮廓和位置信息，最大探测距离超过50 km。此外，CP LR-BSDS的稳定性及信号处理的自动化程度更高。

图3 LR-BSDS实物图

图4 SR-BSDS实物图

按照SR-BSDS计划，美国陆军化学和生物防御司令部与 Fibertek公司合作研制了一台多波长激光雷达系统，系统实物图如图4所示[23]。SR-BSDS质量为476 kg，采用1台单脉冲能量 70 mJ的红外激光器和1台100 mJ的紫外激光器。红外激光用于气溶胶云团的探测与跟踪，最大探测距离为10km，距离分辨率为2.5m。当发现可疑云团时，系统发射紫外激光，并根据回波信号判断气溶胶云团的生物性。一旦确认可疑云团为生物气溶胶云团，系统会自动报警，并将报警信号和数据通过无线电通信网络上传至传感器网络指挥部。SR-BSDS红外激光与紫外激光切换、生物气溶胶分辨、报警与数据传输均实现自动化，不需任何人为操作[24]。美军已对SR-BSDS进行了多次外场测试，以探讨系统性能和人体安全问题[23]。

2004年，美军在国防部的资助下研制了联合生物遥感探测系统（joint biological standoff detection system，JBSDS），目的是对生物战剂气溶胶云团进行实时探测、跟踪与分辨，以实现生物战剂的早期预警。目前该系统已装备美军部队，系统实物图如图5所示[25]。JBSDS采用波长355 nm激光激发被探测生物气溶胶荧光，水平观测范围为180°，最大探测距离为5 km，可实现生物气溶胶分辨的最大距离为3 km。除开启和关闭需要手动之外，系统的其他操作均可远程无线操控，自动化程度较高。JBSDS安装在多功能越野吉普车上，机动性能良好，但无法对路面颠簸引起的系统失准进行报警[26-27]。

2004年，美国桑迪亚国家实验室研制了战神紫外激光诱导荧光雷达系统（Ares UV LIF lidar system），系统实物图如图6所示[28]。Ares系统为共轴系统，采用波长355 nm、激光脉冲宽度10 ns的闪光灯泵浦Nd：YAG激光器；直径187.5 mm的马克苏托夫望远镜接收回波信号；光电倍增管和ICCD成像装置分别测量弹性后向散射光强度和荧光光谱。Ares系统安装在双轴常平架上，水平观测范围为±45°，垂直观测范围为±20°，最大探测距离为5 km[21，28]。

图5 JBSDS实物图

图6 Ares系统实物图

目前，美军正在研制紧凑的红外/紫外混合激光雷达（Hybrid LIDAR）系统，系统设计利用二极管泵浦Nd：YAG激光器产生的1 064 nm激光进行弹性后向散射测量，检测生物战剂气溶胶云团的位置、形状、大小，并利用多普勒检测边缘滤波技术确定风向和风速；同时用于生物战剂气溶胶云感应荧光侦检的为266 nm的紫外激光，是由1 064 nm红外激光四倍频效应得到[29]。Hybrid LIDAR系统最终的目标是研制出战术无人机载激光雷达系统样机，预计样机质量34kg，体积0.042 5 m3，功率需求小于500 W。目前设计的实验室型系统计划测量气溶胶浓度的距离为5 km，以1 m/s的分辨率测量风场的距离为2 km，测量荧光的距离大于1 km[29]。

2.2 加拿大

加拿大国防部于1999年开始研制集成化高光谱分辨率主动探测系统（stand-off integrated bioaerosol active hyperspectral detection，SINBAHD），系统实物图如图7所示[30]。SINBAHD系统采用波长351 nm、单脉冲能量150 mJ、脉冲重复频率125 Hz的氟化氙准分子激光器作为激光源，光束通过可视化发射通道（包括分束器、变焦透镜、CCD、光束放大器等）向空间发射，光束发散角小，可在外场中稳定工作；直径300 mm、焦距1 270 mm的牛顿望远镜接收回波信号，经过一系列光学元件及光谱仪分光后，由ICCD成像装置进行370～600 nm荧光光谱测量，光谱分辨率为5 nm[31]。加拿大的研究人员多次在外场试验中对SINBAHD系统在生物气溶胶种类鉴定与浓度测量方面的性能进行了验证。他们使用该系统对人工模拟的不同种类的生物气溶胶进行了探测，并利用所得光谱数据实现了对不同气溶胶的分辨，光谱测量结果具有良好稳定性；将气溶胶荧光光谱标准化，利用简单的统计学算法，即可实现对气溶胶浓度的实时估计，结果与参考的测量方法得到的结果相符[30-32]。

2006年，加拿大国防部开展了短距离激光诱导荧光雷达系统计划（SR-BioSpectra），目的是研制短距离、小型化、模块化、易操作的激光诱导荧光雷达系统，用于大的封闭、半封闭空间及关键设施内部（如地铁、机场等）生物气溶胶的实时监测[33]。按照SR-BioSpectra计划，加拿大国家光学研究所设计研制了一台雷达系统样机，采用波长355 nm的二极管泵浦Nd：YAG激光器，使用牛顿反射式望远镜接收回波信号，系统实物图如图8所示。

图7 SINBAHD系统实物图

图8 SR-BioSpectra系统实物图

2.3 欧洲

英国国防科技实验室在2003—2008年研制了3台紫外激光诱导荧光雷达系统（Mk1、Mk2、Mk3）。这3台雷达系统的主体结构是相同的，均采用共轴发射-接收系统：使用波长266 nm、单脉冲能量40 mJ的Nd：YAG激光器，回波信号由直径250 mm的卡塞格林望远镜接收[29]。Mk1系统采用光电倍增管测量总荧光信号强度。Mk2系统将接收到的回波信号分成2束，一束由光电倍增管测量荧光信号强度，另一束经光谱仪分光后，由10单元的光电倍增管阵列测量300～500 nm荧光光谱。Mk2系统安装在星际望远镜底座上，在计算机软件控制下以一定的高度、角度、速度对目标区域进行扫描，绘制目标区域的荧光强度分布，并采用支持向量机（support vector machine，SVM）和贝叶斯统计算法对10维荧光光谱数据进行模式识别，以实现生物与非生物气溶胶的分辨，系统控制软件界面如图9所示。英国国防科技实验室已在英国、美国和加拿大对Mk2系统做过多次外场测试，以对其分辨性能进行评估。Mk3系统在Mk2的基础上，增加了波长1 064 nm、单脉冲能量70 mJ的红外激光源与弹性后向散射测量模块，以实现生物气溶胶云团的跟踪与范围测量，最大探测距离达11 km。另外，Mk3系统在硬件与软件方面也有一定的升级，系统实物图如图10所示[19，29]。

图9 Mk2系统控制软件界面

图10 Mk3系统实物图

图11 雷达系统实物图（挪威）

挪威研制了一台与加拿大SINBAHD系统类似的高光谱分辨率激光诱导荧光探测系统，质量70 kg，主体安装在30 cm×120 cm的光学平台上，并由三脚架支撑，系统实物图如图11所示。系统采用波长355 nm、单脉冲能量150 mJ、脉冲重复频率10 Hz的Nd：YAG激光器，激光经扩束与准直后向目标区域发射；回波信号由直径250 mm、焦距1 200 mm的牛顿反射式望远镜接收，经分束镜分成2束，一束由光电倍增管测量355 nm弹性后向散射光强度，另一束由光谱仪分光、ICCD成像装置接收进行340～680 nm荧光光谱测量，光谱分辨率为7 nm[19，29]。

2007年，德国CBRN中心研制了一台用于生物战剂远程探测的车载多波长激光雷达系统（biological agent LIDAR，BALI），系统实物图如图12所示。BALI系统利用Nd：YAG激光器基频1 064 nm激光，通过测量气溶胶云团的弹性后向散射，确定云团位置与范围；利用二倍频532 nm激光，测量云团后向散射光的退偏振比，确定气溶胶的偏振特性；利用三倍频355 nm和四倍频266 nm激光，测量气溶胶荧光强度及光谱。系统将这些光学参数数据组合作为气溶胶云团的“特征”，进行统计学分析（如主成分分析等），以确定气溶胶的生物性以及种类。

图12 BALI系统实物图

2007年，欧盟开展了生物光学探测设备计划（biological optical detection equipment，BODE），目的是研制性能可靠的、预警准确的短距离激光诱导荧光雷达系统，用于欧盟各成员国对生物战剂的联合防御。BODE计划由法国Cilas公司领导，研究组由多个欧盟成员国的公司和研究机构组成，系统研制时间为2 a。BODE系统采用德国宇航中心设计制造的基频波长1 064 nm、单脉冲功率200 mW、脉冲重复频率10 Hz的Nd：YAG激光器作为激光源，并通过倍频得到多种发射波长激光；接收望远镜采用英国Biral公司制造的直径150 mm牛顿反射式望远镜，接收的回波信号经空间滤波后导入后续光路及数据采集系统，分别由光电倍增管和光谱仪、ICCD成像装置测量弹性后向散射光强度和荧光光谱；系统控制软件和数据处理软件分别由法国Cilas公司和法国武器总指挥部研发，系统实物图如图13所示。BODE系统在瑞典国防研究机构的试验场进行了多次测试，结果表明BODE系统可有效区分生物战剂模拟剂的种类[19，29]。

图13 BODE系统实物图

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（收稿：2014-08-30 修回：2014-12-10）

3 结语

随着激光诱导荧光探测技术的发展和探测装备的应用，利用激光诱导荧光探测生物战剂气溶胶已经证明是一种有效的生物战剂预警手段，技术原理明确，应用前景广阔。同时，现代光电技术的发展为生物战剂激光诱导荧光探测技术多功能集成一体化铺平了道路，也使探测系统更加轻量化和便携化。作为激光生物检测领域的前沿技术之一，激光诱导荧光探测技术仍有许多问题亟待解决。首先，由于天空背景辐射的存在，系统在白天工作时探测的信噪比低、漏警概率高，这也是气溶胶激光诱导荧光探测系统通常在夜晚工作的原因，而提高白天探测的信噪比将有助于探测系统的实际应用。此外，从接收到的回波信号中快速提取出生物战剂气溶胶的特征信号并进行种类分辨和浓度确定对于及时制定应急处置方案、控制疫情扩散等具有重要意义，这将是该技术领域的重点研究方向之一。

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Progress of foreign biological warfare agent laser detection technology and equipment

WU Sheng1,WU Hui-yun2,LI Xin2,XU Xie-gu2
（1.Department of Medical Administration,General Hospital of the PLA,Beijing 100853,China; 2.Department of Science and Technology,Academy of Military Medical Sciences,Beijing 100850,China）

Principle of the laser-induced fluorescence technology used for the biological warfare agents(BWA)detection is illustrated,the application advantages of the laser-induced fluorescence technology in BWA reconnaissance and alarm are analyzed,the recent development of the laser-induced fluorescence technology and the equipment manufacture in the United States,Canada and Europe in years are summarized.The problems and prospect of the laser-induced fluorescence technology are pointed out.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（4）：103-107，113]

biological warfare agent;laser-induced fluorescence;reconnaissance and alarm

R318.6；TN248.2+2；Q-331

A

1003-8868（2015）04-0103-06

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.04.103

吴 胜（1987—），男，技师，主要从事卫生防护防疫技术与装备方面的研究工作，E-mail：ws_fmmu1987@163.com。

100853北京，解放军总医院医务部（吴 胜）；100850北京，军事医学科学院科技部（吴慧云，李 鑫，徐卸古）