人眼安全的生物气溶胶短程遥测系统

李　抄，杨子健，杜耀华，吴太虎，陈　锋*

(1.军事医学科学院 卫生装备研究所，天津 300161；2.中国人民解放军白求恩医务士官学校 检验医学教研室，河北 石家庄 050081)



人眼安全的生物气溶胶短程遥测系统

李抄1，杨子健2，杜耀华1，吴太虎1，陈锋1*

(1.军事医学科学院 卫生装备研究所，天津 300161；2.中国人民解放军白求恩医务士官学校 检验医学教研室，河北 石家庄 050081)

建立了满足激光辐照人眼安全要求的便携式生物气溶胶短程遥测系统，用于实现有人员活动区域生物战剂气溶胶的实时预警监测。以高频调制的405 nm半导体激光器为激发光源，200 mm口径的卡塞格林望远系统为信号光收集系统，搭建了基于伪随机调制的便携型生物气溶胶激光雷达短程遥测系统。该系统具备平行偏振散射、垂直偏振散射光探测，以及450 nm和530 nm两个波段荧光探测等四个同步探测通道。以枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和酵母菌为样本对该激光雷达系统进行了初步测试。外场试验表明，该生物气溶胶遥测系统的空间分辨率为1.5 m，荧光通道的探测距离为100 m；3种被测生物气溶胶种类识别的回代误报率分别为9%、11.5%和14.5%，交叉误报率为11.3%。该遥测系统的激光能量低于激光辐照人眼安全标准的要求，基本实现了生物气溶胶的甄别。

激光雷达；生物气溶胶；激光辐照；人眼安全；伪随机调制

1　引　言

施放生物战剂气溶胶是实施生物攻击的一种主要方式，也是唯一能使生物武器发展成大规模杀人武器的攻击方式，一旦使用会造成很大的伤亡，更重要的是由于生物战剂感染途径的隐蔽性，将给社会带来更大的恐慌。近年来，各个国家越来越重视对生物武器的防预。早期预警是针对生物武器袭击进行有效防御和降低损失的必要措施。

生物气溶胶激光雷达技术是早期预警的主要技术手段[1-4]。目前，生物气溶胶激光雷达主要采用生物自体荧光技术，通过弹性散射光进行异常浓度气溶胶的搜寻和定位，然后探测异常浓度气溶胶的紫外激发荧光，通过荧光特性甄别是否是生物战剂气溶胶，甚至判别生物战剂类别[5-6]。虽然基于生物自体荧光的雷达探测存在一定的误报率，难以准确区分生物战剂气溶胶和自然本底干扰物，但对于早期预警而言仍然意义重大。此外，由于生物粒子自体荧光的发光效率极低，在荧光激光雷达中一般采用大功率的紫外固态激光器作为激发光源，以获得较理想的探测信噪比和较高的探测灵敏度。如美军研制的JBSDS激光雷达系统[6]，该系统采用的荧光激发激光器为355 nm的YAG激光器，单脉冲能量为150 mJ，荧光探测距离约为1 km；加拿大的SINBAHD激光雷达系统[7]，配备了波长为351 nm的脉冲激光器，脉冲频率约为20 Hz，脉冲能量为200 mJ，该系统的荧光通道探测距离约为1.4 km。目前，常规的生物气溶胶激光雷达的探测距离可达1 km以上，但一般体积较大，需要车载或舰载移动使用，且由于激光能量过高，如果直接照射人体将造成灼伤，因此只能用于开阔、无人员活动区域的监测预警。而反生物恐怖袭击主要是对大型场馆和开放广场进行预警，环境较复杂、人流较多，因此常规的激光雷达无法适用。在反恐生物预警应用中，激光雷达的探测距离要求不高，但便携性要好、可灵活部署、且激光强度必须对人体无伤害。考虑激光辐照人眼的安全问题，C.R.Prasad等人研制了低功率、短距离的生物气溶胶激光雷达系统[8]，采用375 nm 的半导体激光为激发光源，探测距离为100 m。

除生物荧光激光雷达技术外，基于偏振散射特性也可以实现生物战剂气溶胶的判别。Shane D. Mayor 等人以1.54 μm的近红外激光器为光源[9-11]，通过探测气溶胶云团的消偏振特性进行生物战剂识别，获得了良好的试验结果；Prashant Rama等人在实验室测试了不同种类生物气溶胶在可见-近红外波长范围内的偏振散射特性[12]，结果表明各种生物气溶胶的偏振散射光谱具有明显的差异。

本文采取生物荧光与偏振散射相结合的方式进行生物气溶胶的探测甄别，以减小生物气溶胶预警的误报率。针对有人员活动场合的生物气溶胶预警的使用要求，采用低功率、小体积的半导体激光器为激发光源，以商业化的集成卡塞格林望远系统收集荧光，搭建了便携式四通道生物气溶胶激光雷达系统。最后，对模拟生物气溶胶进行了初步探测试验，实现了不同种类生物气溶胶的判别，探测距离可达100 m。

2　系统设计与优化

如图1所示，生物气溶胶激光雷达系统主要包括3部分：激光发射部分，主要实现激光束的扩束整形以及同轴发射；信号光接收装置，完成散射光和荧光信号的收集、分光和探测；信号采集与处理装置，由基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)的控制板和计算机组成，除进行信号采集和处理外，还用于控制激光器的高速调制输出。

图1生物气溶胶短程遥测系统构成图

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

图1中，激光器为输出波长为405 nm的商品化半导体激光器，为连续输出激光器，光功率为100 mW，直接输出光束直径约为1.5 mm，发散角约为0.5 mrad，偏振比为100∶1，尺寸仅为80 mm×35 mm×35 mm，可直接安装到望远镜主镜筒上。通过激光控制器可进行TTL调制输出，最大调制频率为150 MHz，上升、下降时间均小于2 ns。在选择激光器时，主要考虑激光器的小型化、易于集成性和生物荧光的探测要求，405 nm 激光具有较高的荧光激发效率，虽然较少应用在激光雷达中，但已成功应用于生物气溶胶报警器中[13]；相对而言，375 nm波长的半导体激光器功率低，且有机物不完全燃烧产物(主要是多环芳香烃)在375 nm激发下的荧光效率较高，易产生干扰。这里选取萘作为典型的多环芳香烃代表，实测了萘的三维荧光光谱，如图2所示，在405 nm激发光下的荧光效率不到375 nm 荧光效率的10%。激光整形采用一组焦距比为20∶1 的透镜组进行扩束，长焦透镜lens-2可进行距离微调，通过微调lens-2距离来控制光束发散角。通过扩束，一方面减小输出光束的能量密度，提高激光辐照人眼的安全性能；另一方面，扩束后可增加光束对气溶胶的有效辐照面积，减小细光束因辐照面积小、覆盖粒子数少而带来的统计噪声。扩束后，在出射口的光束直径约为30 mm，发散角约为1.5 mrad。在有效探测距离20～200 m，按照激光辐照人眼裸视安全标准要求计算[14]，单一脉冲能量约为标准要求的0.01%，持续时间为2.5 s、占空比为40%的脉冲串的平均功率为标准要求的95%。由于激光自身偏振度仅为100∶1，因此在lens-2后设置偏振片P1，用于提高输出光束的偏振度。

图2　萘的三维荧光光谱

信号光收集采用卡塞格林望远系统，口径为200 mm，焦距为2 m，主镜筒长度仅为450 mm，次镜可进行距离微调，从而得到最佳探测距离。本系统采用的光电探测器为H10682e型光子计数器[15]，信号探测为四通道同步探测。其中D1和D2通道为水平偏振和垂直偏振散射光，D3为450 nm荧光通道，D4为530 nm荧光通道。D1通道检偏器P2方向与起偏器P1方向垂直，D2通道检偏器P3方向与起偏器P1方向平行。F1和F2为中心波长为405 nm的窄带滤光片，用于消除散射通道的背景光干扰，提高探测灵敏度。基于T矩阵散射原理[16]，粒子散射的偏振特性与粒子的形状、大小和折射率有关，而不同种类的粒子的物理参数一般是不同的，尤其对于杆状等非球形粒子，偏振度与粒子的长宽比具有很好的相关性。

图3　枯草芽孢杆菌、金黄葡萄球菌和酵母菌荧光光谱

荧光探测波长的选取主要基于被测物的荧光光谱特性。图3所示为使用Fluorolog3-21荧光光谱仪测得的枯草芽孢杆菌(B.subtilis)、金黄葡萄球菌(S.aureus)和酵母菌(Yeast)在375 nm 和405 nm激发下的荧光光谱。测试时，枯草芽孢杆菌、金黄葡萄球菌为108cfu/mL溶液状态，酵母菌为粉末状(为便于对比，画图时将酵母菌信号强度缩小了200倍)。对于枯草芽孢杆菌、金黄葡萄球菌，375 nm激发下432 nm的尖峰、405 nm激发下471 nm的尖峰均为水的拉曼散射峰。酵母菌属于真菌类，其主要荧光成分为NADH和核黄素，而枯草芽孢杆菌和金黄葡萄球菌的主要荧光成分为色氨酸和络氨酸，因此酵母菌的荧光光谱相对枯草芽孢杆菌和金黄葡萄球菌差异显著[17]。从图3可以看出，405 nm激发下，在450 nm 处三者的发光强度差异显著，但在530 nm 处三者的发光强度差异很小，因此荧光探测通道选定为450/30 nm和530/50 nm两个通道。

由于所选用的光电探测器为光子计数器，其计数脉冲宽度为10 ns，电平高度为2.2 V，因此本文选用FPGA作为信号采集单元，其数字电平识别范围为2～3.3 V，光子计数脉冲的输出信号可直接作为“数字”信号被FPGA识别，而且FPGA具有突出的并行处理能力，可很容易地完成四通道高速同步计数采样。此外，对于连续工作的半导体激光器，在激光雷达系统中可采取微脉冲调制或者伪随机调制方式进行同步控制；而在激光输出功率一定的条件下，采取伪随机控制方式可大幅提高系统的探测信噪比[18-19]，所以本文采取伪随机激光雷达控制方式，基于同一个FPGA芯片进行激光器的伪随机调制。伪随机码的序列长度为254 bit，调制频率为100 MHz，可实现的空间分辨率为1.5 m，最大探测距离为Lc=1.5×255=382.5 m。由于荧光信号非常微弱，为进一步提高信噪比，实际探测中，对同一个角度的单次探测重复伪随机码为100万次，并对这100万次返回信号进行自动累加，因此单次测试时间约为2.5 s。

3　试验结果

本文对该雷达系统进行了夜间的外场试验，时间为晚上20：00～23：00，环境温度为23～27 ℃，湿度为47%，风速小于1 m/s。以枯草芽孢杆菌、金黄葡萄球菌和酵母菌为被测对象，配置浓度约为108cuf/mL的溶液，利用生物气溶胶发生器在开放空间生成气溶胶云团，单次测试气溶胶的持续生成时间约为15 s，前10 s进行预生成，10～15 s内进行测试。图4为外场试验装置的实物图，激光雷达安装在三角架上，距离地面约1.5 m；所生成的生物气溶胶云团距离地面1.5～2 m。为监测实际生成的气溶胶浓度，采用TSI-9350型粒子计数器对气溶胶进行同步计数监测。

图4　生物气溶胶遥测装置实物图

试验首先测试了自然本底气溶胶的激光雷达信号(测试俯仰角为10°)。如图5所示，由上到下依次为平行偏振通道、垂直偏振通道、450 nm荧光通道和530 nm荧光通道信号，红、绿、蓝不同颜色曲线代表3次重复测试的结果(彩图见期刊电子版)。从图中可以明显看出，在偏振散射通道具有明显信号，但荧光通道无信号特征。因此，自然本底气溶胶几乎无荧光效应；同时自然本底气溶胶散射具有很好的消偏振特性。散射通道的信号峰值在约25 m处，0～20 m的极低信号是由望远系统中次镜的遮挡导致的；而大于20 m范围内的信号分布则受该雷达系统的几何因子和光强随距离平方衰减两个因素的共同作用。

然后进行了实际样本单点测试。激光雷达距离生成的生物气溶胶云团约90 m，通过调节激光雷达的水平角和俯仰角使其探测视场与气溶胶云团中心重合。图6所示为对枯草芽孢杆菌气溶胶进行测试时的雷达回波信号(测试距离约为90 m，粒子计数器同步监测的气溶胶浓度约为106PPL)，各通道同步探测误差小于2个脉冲周期，平行和垂直偏振散射通道信号很强，累计信号强度接近2×106；荧光通道信号较弱，累计信号计数小于5×104，实际信噪比仅约为3.5。金黄葡萄球菌和酵母菌的测试原始信号强度与枯草芽孢杆菌类似，此处不再赘述。

图5　自然环境本底气溶胶的雷达回波信号

图6　枯草芽孢杆菌生物气溶胶的实际测试信号

最后进行了细菌种类的区别实验。同样生成浓度约为106PPL的生物气溶胶，但将激光雷达系统与生成气溶胶的距离缩小到30 m，以提高雷达荧光通道信号的信噪比。对酵母菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌分别重复测试了50次，结果如图7所示。每个点代表一次测试结果，x轴为530 nm 荧光通道信号，y轴为450 nm荧光通道信号，z轴为退偏度。为消除激发光功率变化带来的影响，这里采用荧光效率衡量荧光信号，将荧光计数除以2路散射光计数之和作为荧光效率。退偏度为：

(1)

其中I∥和I⊥分别代表平行和垂直偏振散射通道的信号强度。由于金黄色葡萄球菌为球形结构，因此其退偏度较小。

该激光雷达最终测得的气溶胶指标为散射光的退偏振度和2个波段的荧光信号。基于测得数据的分布特征，尝试用模式识别算法中基于马氏距离的线性判别分类方法进行气溶胶归类计算。设X是从均值为μ协方差为ν的母体G中抽取的样本，则样本X与母体G的马式距离D2(X，G)为：

D2(X，G)=(X-μ)′ν-1(X-μ).

(2)

设母体G的分类数为N，其中样本X的归类判断准则为：

D2(X，Gi)≤D2(X，Gk)(k=1，…，N，k≠i)，

则X属于母体Gi。

图7酵母菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌气溶胶信号的三维分布图

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

首先基于实验测试数据，分别计算3类被测生物气溶胶在三维坐标系下(如图7)的母体均值μi和协方差νi，然后按照上述分类判断准则将所有试验数据回带进行分类判别验证。结果表明，酵母菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的回代误报率分别为9%、11.5%和14.5%，整体交叉误报率为11.3%。

4　结　论

本文设计并搭建了便携型生物气溶胶短程激光雷达系统，采用405 nm、100 mW的半导体激光器为激发光源，激光束经整形后约为激光辐照人眼安全要求的95%；采用成品化的卡塞格林望远系统进行信号光收集，并进行平行偏振、垂直偏振散射光，以及450 nm和530 nm两个荧光通道的同步探测。该激光雷达系统采用伪随机控制方案，通过FPGA模块实现激光器的伪随机高速调制和4个探测通道的信号同步采集，空间定位分辨率为1.5 m。以枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和酵母菌为样本对该激光雷达系统进行了初步测试。外场试验表明：该激光雷达系统荧光通道的探测距离可达100 m(气溶胶浓度为106PPL)，通过基于马氏距离的线性判别分类法基本实现了对3种生物气溶胶的种类甄别。不过，该激光雷达系统的探测灵敏度还有待于进一步的提高，此外还需要进行大量试验来检验其探测性能，并在试验数据基础上进行生物气溶胶种类的识别算法的优化。

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李抄(1982-)，男，河北保定人，博士，助理研究员，2011年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事环境微生物快速检测方面的研究。E-mail： nk_lich@hotmail.com

陈锋(1978-)，男，山东菏泽人，博士，副研究员，2012年于天津大学获得博士学位，现为军事医学科学院卫生装备研究所医用电子技术与装备研究室主任，主要从事生物战剂侦检方面的研究。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.

国家科技重大专项资助项目(No.2012ZX10004801)

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

TN958.58；X835

Adoi:10.3788/OPE.20162407.1600