吳 勝,吳慧云,李 鑫,徐卸古
國外生物戰(zhàn)劑激光探測技術及裝備研制進展
吳 勝,吳慧云,李 鑫,徐卸古
介紹了生物戰(zhàn)劑激光誘導熒光探測技術的基本原理及激光誘導熒光探測系統(tǒng)的基本結構,分析了該技術在生物戰(zhàn)劑偵察報警領域的應用優(yōu)勢,綜述了近年來美國、加拿大、歐洲等國家地區(qū)生物戰(zhàn)劑激光誘導熒光探測技術發(fā)展及裝備研制的進展情況。最后指出了該技術亟待解決的問題及應用前景,以期為國內在該領域的研究提供參考。
生物戰(zhàn)劑;激光誘導熒光;偵察報警
生物武器的殺傷性主要來源于生物戰(zhàn)劑,其首次使用始于第一次世界大戰(zhàn)[1]。近百年來,生物戰(zhàn)劑以其致病性及傳染性強、制造成本低、污染面積大、影響時間長的特點,一直威脅著人類的安全[2-3]。面對生物戰(zhàn)劑在世界范圍內大規(guī)模突發(fā)事件、恐怖活動和非軍事領域的非法使用,世界各國越來越重視生物安全防御,并紛紛投入大量人力物力開展生物戰(zhàn)劑偵檢技術研究與裝備研制[4-7]。傳統(tǒng)的生物戰(zhàn)劑偵檢主要依靠檢測人員的接觸式采樣、現(xiàn)場檢測,或將采樣樣品帶回實驗室進行培養(yǎng)、分析與鑒定,檢測過程時間長、速度慢,而且接觸式檢測會對檢測人員自身的安全造成嚴重的威脅[7]。
20世紀末,伴隨著激光器技術、光電器件制造技術和光譜檢測技術的發(fā)展,激光誘導熒光探測技術已經逐步發(fā)展成為生物戰(zhàn)劑非接觸式、實時在線探測的主要技術手段之一[8-9]。與接觸式檢測手段相比,激光誘導熒光探測技術具有非接觸式、遠距離、反應迅速、預警時間長和三維實時監(jiān)控等優(yōu)點。而對生物戰(zhàn)劑的遠程探測和威脅報警是發(fā)現(xiàn)敵方使用生物武器并及時采取防護措施、減少人員傷亡的關鍵。如今,許多國家都在致力于研究和發(fā)展性能可靠的、靈敏度高的、預警準確的生物戰(zhàn)劑激光誘導熒光探測技術和裝備。本文就生物戰(zhàn)劑激光誘導熒光探測技術原理及裝備發(fā)展情況綜述如下。
1.1 熒光與熒光基團
組成物質的分子都具有一系列緊密相隔的能級,稱為電子能級,每個電子能級中又包含一系列振動能級和轉動能級。在常溫條件下,絕大部分分子都處于基態(tài),即能量最低的電子能級。當分子受到適當波長的激光照射時,基態(tài)上的部分分子吸收光子,并在很短的時間(約10-15s)內躍遷到激發(fā)態(tài)上。處于激發(fā)態(tài)的分子不穩(wěn)定,會通過多種途徑釋放能量回到基態(tài)[10]。這種分子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷的過程稱為弛豫過程,包括振動弛豫、內轉換、外轉換、系間跨躍等非輻射過程和熒光發(fā)射等輻射過程。當激發(fā)態(tài)分子通過振動弛豫、內轉換等非輻射過程躍遷到第一激發(fā)態(tài)的最低振動能級時,短暫停留后(10-9~10-8s)向基態(tài)躍遷,以發(fā)射出光子的形式釋放出能量,這一過程稱為熒光發(fā)射[11]。
處于某一分子環(huán)境的熒光基團,其熒光特性可由激發(fā)波長(excitation wavelength,λex)、發(fā)射波長(emission wavelength,λem)和量子產率(quantum yield)3個參數(shù)表征[12]。通常,熒光基團的激發(fā)譜較寬、發(fā)射譜較窄。因為熒光發(fā)射總是從振動弛豫后的第一激發(fā)態(tài)的最低振動能級躍遷的,因此熒光的特征之一就是λem>λex,而且λem與λex無關。但熒光基團在不同波長激發(fā)光激發(fā)下,量子產率不同,熒光強度也就不同。對于復雜混合物,如細菌、真菌、花粉等,它們的熒光光譜是由各類熒光基團的熒光光譜疊加而成的[11]。研究表明,生物粒子中各種熒光基團的熒光光譜主要集中在300~800 nm[13],常見的生物粒子熒光基團的激發(fā)與發(fā)射譜如圖1所示[12]。其中,色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸(λex=~270 nm)屬于氨基酸類,而氨基酸是組成蛋白質的基本單元,存在于所有生物有機體中;NADPH(λex=~340 nm)、核黃素(λex=~450 nm)和維生素B6(λex=~325 nm)屬于輔酶類,存在于新陳代謝較旺盛的生物有機體中,而無明顯新陳代謝活動的有機體(真菌孢子、細菌孢子及花粉等)中則含量很低,因此可作為有生命活性有機體的標志物;纖維素(λex=250~350 nm)、殼質(λex=~335 nm)屬于結構化合物類,是細菌、真菌等生物粒子細胞壁的主要組成物質。生物粒子中各種熒光基團的含量不同,在激光誘導下的熒光量子產率也不同,相應的熒光強度就不同,而非生物粒子在300~800 nm范圍內幾乎沒有熒光[14]。因此,利用不同粒子總熒光強度及熒光光譜的差異來區(qū)分生物粒子和非生物粒子,可以實現(xiàn)生物戰(zhàn)劑氣溶膠的精確預警。
圖1 常見的生物粒子熒光基團的激發(fā)與發(fā)射譜
1.2 激光誘導熒光探測系統(tǒng)
激光誘導熒光遠程探測系統(tǒng)的結構組成如圖2所示,系統(tǒng)核心由光源與發(fā)射模塊、信號接收模塊、光電轉換與測量模塊和系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)分析模塊4個部分組成,另外還有動力單元和冷卻系統(tǒng)、自動報警模塊等。光源與發(fā)射模塊通常由激光器、光束準直器和光束發(fā)射裝置組成,用于向目標處發(fā)射激光。目前,生物氣溶膠激光誘導熒光探測系統(tǒng)常用的激光波長主要是266和355 nm,分別用于激發(fā)氨基酸類和輔酶類物質的熒光[15]。信號接收模塊主要包括接收望遠鏡、分光裝置、濾光片、光譜儀等,主要作用是接收回波信號(包括彈性后向散射信號、熒光信號等),并根據(jù)不同的波長導入相應的探測通道。光電轉換與測量模塊的主要作用是將接收到的光信號轉換成可測量的電信號,并由探測器測量。常用的探測器有光電倍增管、雪崩二極管和ICCD成像裝置等。系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)分析模塊即系統(tǒng)的軟件部分,主要職責是確保激光發(fā)射、回波信號接收、光電轉換、測量和存儲能夠協(xié)調工作,以及對所得的數(shù)據(jù)進行分析處理,為生物戰(zhàn)劑威脅報警提供依據(jù)。激光誘導熒光探測系統(tǒng)工作時,光源產生激光束,激光束經準直后由發(fā)射裝置發(fā)射至目標處,光束與目標處氣溶膠云團相互作用后的回波信號由接收裝置接收,接收信號經濾波后進行光電轉換和測量,完成對目標處氣溶膠的探測,并依據(jù)數(shù)據(jù)分析結果作出是否存在生物戰(zhàn)劑及種類的判斷。
圖2 激光誘導熒光探測系統(tǒng)結構圖
自20世紀90年代開始,美、加、英、德、法等國相繼開展生物戰(zhàn)劑激光誘導熒光探測技術的研究,取得了很大進展,并已研制出多種型號的探測裝備。
2.1 美國
1994年,美國陸軍埃奇伍德研究、發(fā)展與工程中心為評估生物熒光效應在生物氣溶膠探測與分辨中的能力,研制出一臺用于生物氣溶膠遠程探測的激光誘導熒光雷達系統(tǒng)[16]。系統(tǒng)采用波長266 nm、最大單脈沖能量235 mJ、脈沖重復頻率10 Hz的Nd:YAG激光器;利用直徑16 in(1 in=25.4 mm)、視場角1.0 mrad的卡塞格林望遠鏡收集回波信號;分別使用光電倍增管、光譜儀及ICCD成像裝置實時監(jiān)測266 nm彈性后向散射光、300~400 nm總熒光強度信號和熒光光譜信號。外場試驗結果表明,當探測距離為3 km時,系統(tǒng)對枯草桿菌黑色變種芽孢氣溶膠的最低探測質量濃度為500 mg/m3。
1996年,美國陸軍化學和生物防御司令部與Fibertek公司簽訂了2臺用于生物戰(zhàn)劑探測的激光雷達系統(tǒng)的合同,合同金額為948萬美元,研制時間為3a[17]。系統(tǒng)光源波長289nm,為波長266nm的Nd:YAG激光器經拉曼頻移得到。289 nm激光可以有效激發(fā)生物氣溶膠中的色氨酸分子。同時,大氣中的臭氧對289 nm激光的吸收作用較弱,可以有效降低激光在大氣傳輸中的消光效應。該雷達系統(tǒng)使用光電倍增管對300~400 nm范圍內的總熒光強度進行測量,其設計的最遠探測距離為5 km,可用于生物氣溶膠云團的探測和跟蹤,以及區(qū)分生物氣溶膠粒子和非生物氣溶膠粒子。
此外,美國陸軍化學和生物防御司令部分別于1996年和1999年研制了長距離生物氣溶膠探測系統(tǒng)(longrangebiologicalstandoffdetectionsystem,LR-BSDS)和短距離生物氣溶膠探測系統(tǒng)(short range biological standoff detection system,SR-BSDS)。LR-BSDS由Continuum公司的Surelite l-20型紅外激光發(fā)射器、接收望遠鏡、信號采集和處理模塊等組成,用于對運動中的生物氣溶膠云團進行探測、測距和跟蹤,最大探測距離達30 km[18-19]。LR-BSDS質量為590 kg,體積為3 m3,安裝在UH-60型直升飛機內,并在機上完成信號處理,系統(tǒng)實物圖如圖3所示[20]。之后,美軍又在LR-BSDS的基礎上研制了第二代激光雷達系統(tǒng),稱為反擴散長距離生物氣溶膠探測系統(tǒng)(counter-proliferation system,CP LR-BSDS)[21-22]。CP LR-BSDS采用二極管泵浦鉀鈦砷光參量振蕩激光器作為激光源,波長為1.54μm,單脈沖能量為330mJ,脈沖重復頻率為100 Hz,并且符合人眼安全的要求;利用直徑24 in的接收望遠鏡接收回波信號;使用電子傳輸增強型光探測器測量彈性后向散射信號強度,提供生物氣溶膠云團的輪廓和位置信息,最大探測距離超過50 km。此外,CP LR-BSDS的穩(wěn)定性及信號處理的自動化程度更高。
圖3 LR-BSDS實物圖
圖4 SR-BSDS實物圖
按照SR-BSDS計劃,美國陸軍化學和生物防御司令部與 Fibertek公司合作研制了一臺多波長激光雷達系統(tǒng),系統(tǒng)實物圖如圖4所示[23]。SR-BSDS質量為476 kg,采用1臺單脈沖能量 70 mJ的紅外激光器和1臺100 mJ的紫外激光器。紅外激光用于氣溶膠云團的探測與跟蹤,最大探測距離為10km,距離分辨率為2.5m。當發(fā)現(xiàn)可疑云團時,系統(tǒng)發(fā)射紫外激光,并根據(jù)回波信號判斷氣溶膠云團的生物性。一旦確認可疑云團為生物氣溶膠云團,系統(tǒng)會自動報警,并將報警信號和數(shù)據(jù)通過無線電通信網絡上傳至傳感器網絡指揮部。SR-BSDS紅外激光與紫外激光切換、生物氣溶膠分辨、報警與數(shù)據(jù)傳輸均實現(xiàn)自動化,不需任何人為操作[24]。美軍已對SR-BSDS進行了多次外場測試,以探討系統(tǒng)性能和人體安全問題[23]。
2004年,美軍在國防部的資助下研制了聯(lián)合生物遙感探測系統(tǒng)(joint biological standoff detection system,JBSDS),目的是對生物戰(zhàn)劑氣溶膠云團進行實時探測、跟蹤與分辨,以實現(xiàn)生物戰(zhàn)劑的早期預警。目前該系統(tǒng)已裝備美軍部隊,系統(tǒng)實物圖如圖5所示[25]。JBSDS采用波長355 nm激光激發(fā)被探測生物氣溶膠熒光,水平觀測范圍為180°,最大探測距離為5 km,可實現(xiàn)生物氣溶膠分辨的最大距離為3 km。除開啟和關閉需要手動之外,系統(tǒng)的其他操作均可遠程無線操控,自動化程度較高。JBSDS安裝在多功能越野吉普車上,機動性能良好,但無法對路面顛簸引起的系統(tǒng)失準進行報警[26-27]。
2004年,美國桑迪亞國家實驗室研制了戰(zhàn)神紫外激光誘導熒光雷達系統(tǒng)(Ares UV LIF lidar system),系統(tǒng)實物圖如圖6所示[28]。Ares系統(tǒng)為共軸系統(tǒng),采用波長355 nm、激光脈沖寬度10 ns的閃光燈泵浦Nd:YAG激光器;直徑187.5 mm的馬克蘇托夫望遠鏡接收回波信號;光電倍增管和ICCD成像裝置分別測量彈性后向散射光強度和熒光光譜。Ares系統(tǒng)安裝在雙軸常平架上,水平觀測范圍為±45°,垂直觀測范圍為±20°,最大探測距離為5 km[21,28]。
圖5 JBSDS實物圖
圖6 Ares系統(tǒng)實物圖
目前,美軍正在研制緊湊的紅外/紫外混合激光雷達(Hybrid LIDAR)系統(tǒng),系統(tǒng)設計利用二極管泵浦Nd:YAG激光器產生的1 064 nm激光進行彈性后向散射測量,檢測生物戰(zhàn)劑氣溶膠云團的位置、形狀、大小,并利用多普勒檢測邊緣濾波技術確定風向和風速;同時用于生物戰(zhàn)劑氣溶膠云感應熒光偵檢的為266 nm的紫外激光,是由1 064 nm紅外激光四倍頻效應得到[29]。Hybrid LIDAR系統(tǒng)最終的目標是研制出戰(zhàn)術無人機載激光雷達系統(tǒng)樣機,預計樣機質量34kg,體積0.042 5 m3,功率需求小于500 W。目前設計的實驗室型系統(tǒng)計劃測量氣溶膠濃度的距離為5 km,以1 m/s的分辨率測量風場的距離為2 km,測量熒光的距離大于1 km[29]。
2.2 加拿大
加拿大國防部于1999年開始研制集成化高光譜分辨率主動探測系統(tǒng)(stand-off integrated bioaerosol active hyperspectral detection,SINBAHD),系統(tǒng)實物圖如圖7所示[30]。SINBAHD系統(tǒng)采用波長351 nm、單脈沖能量150 mJ、脈沖重復頻率125 Hz的氟化氙準分子激光器作為激光源,光束通過可視化發(fā)射通道(包括分束器、變焦透鏡、CCD、光束放大器等)向空間發(fā)射,光束發(fā)散角小,可在外場中穩(wěn)定工作;直徑300 mm、焦距1 270 mm的牛頓望遠鏡接收回波信號,經過一系列光學元件及光譜儀分光后,由ICCD成像裝置進行370~600 nm熒光光譜測量,光譜分辨率為5 nm[31]。加拿大的研究人員多次在外場試驗中對SINBAHD系統(tǒng)在生物氣溶膠種類鑒定與濃度測量方面的性能進行了驗證。他們使用該系統(tǒng)對人工模擬的不同種類的生物氣溶膠進行了探測,并利用所得光譜數(shù)據(jù)實現(xiàn)了對不同氣溶膠的分辨,光譜測量結果具有良好穩(wěn)定性;將氣溶膠熒光光譜標準化,利用簡單的統(tǒng)計學算法,即可實現(xiàn)對氣溶膠濃度的實時估計,結果與參考的測量方法得到的結果相符[30-32]。
2006年,加拿大國防部開展了短距離激光誘導熒光雷達系統(tǒng)計劃(SR-BioSpectra),目的是研制短距離、小型化、模塊化、易操作的激光誘導熒光雷達系統(tǒng),用于大的封閉、半封閉空間及關鍵設施內部(如地鐵、機場等)生物氣溶膠的實時監(jiān)測[33]。按照SR-BioSpectra計劃,加拿大國家光學研究所設計研制了一臺雷達系統(tǒng)樣機,采用波長355 nm的二極管泵浦Nd:YAG激光器,使用牛頓反射式望遠鏡接收回波信號,系統(tǒng)實物圖如圖8所示。
圖7 SINBAHD系統(tǒng)實物圖
圖8 SR-BioSpectra系統(tǒng)實物圖
2.3 歐洲
英國國防科技實驗室在2003—2008年研制了3臺紫外激光誘導熒光雷達系統(tǒng)(Mk1、Mk2、Mk3)。這3臺雷達系統(tǒng)的主體結構是相同的,均采用共軸發(fā)射-接收系統(tǒng):使用波長266 nm、單脈沖能量40 mJ的Nd:YAG激光器,回波信號由直徑250 mm的卡塞格林望遠鏡接收[29]。Mk1系統(tǒng)采用光電倍增管測量總熒光信號強度。Mk2系統(tǒng)將接收到的回波信號分成2束,一束由光電倍增管測量熒光信號強度,另一束經光譜儀分光后,由10單元的光電倍增管陣列測量300~500 nm熒光光譜。Mk2系統(tǒng)安裝在星際望遠鏡底座上,在計算機軟件控制下以一定的高度、角度、速度對目標區(qū)域進行掃描,繪制目標區(qū)域的熒光強度分布,并采用支持向量機(support vector machine,SVM)和貝葉斯統(tǒng)計算法對10維熒光光譜數(shù)據(jù)進行模式識別,以實現(xiàn)生物與非生物氣溶膠的分辨,系統(tǒng)控制軟件界面如圖9所示。英國國防科技實驗室已在英國、美國和加拿大對Mk2系統(tǒng)做過多次外場測試,以對其分辨性能進行評估。Mk3系統(tǒng)在Mk2的基礎上,增加了波長1 064 nm、單脈沖能量70 mJ的紅外激光源與彈性后向散射測量模塊,以實現(xiàn)生物氣溶膠云團的跟蹤與范圍測量,最大探測距離達11 km。另外,Mk3系統(tǒng)在硬件與軟件方面也有一定的升級,系統(tǒng)實物圖如圖10所示[19,29]。
圖9 Mk2系統(tǒng)控制軟件界面
圖10 Mk3系統(tǒng)實物圖
圖11 雷達系統(tǒng)實物圖(挪威)
挪威研制了一臺與加拿大SINBAHD系統(tǒng)類似的高光譜分辨率激光誘導熒光探測系統(tǒng),質量70 kg,主體安裝在30 cm×120 cm的光學平臺上,并由三腳架支撐,系統(tǒng)實物圖如圖11所示。系統(tǒng)采用波長355 nm、單脈沖能量150 mJ、脈沖重復頻率10 Hz的Nd:YAG激光器,激光經擴束與準直后向目標區(qū)域發(fā)射;回波信號由直徑250 mm、焦距1 200 mm的牛頓反射式望遠鏡接收,經分束鏡分成2束,一束由光電倍增管測量355 nm彈性后向散射光強度,另一束由光譜儀分光、ICCD成像裝置接收進行340~680 nm熒光光譜測量,光譜分辨率為7 nm[19,29]。
2007年,德國CBRN中心研制了一臺用于生物戰(zhàn)劑遠程探測的車載多波長激光雷達系統(tǒng)(biological agent LIDAR,BALI),系統(tǒng)實物圖如圖12所示。BALI系統(tǒng)利用Nd:YAG激光器基頻1 064 nm激光,通過測量氣溶膠云團的彈性后向散射,確定云團位置與范圍;利用二倍頻532 nm激光,測量云團后向散射光的退偏振比,確定氣溶膠的偏振特性;利用三倍頻355 nm和四倍頻266 nm激光,測量氣溶膠熒光強度及光譜。系統(tǒng)將這些光學參數(shù)數(shù)據(jù)組合作為氣溶膠云團的“特征”,進行統(tǒng)計學分析(如主成分分析等),以確定氣溶膠的生物性以及種類。
圖12 BALI系統(tǒng)實物圖
2007年,歐盟開展了生物光學探測設備計劃(biological optical detection equipment,BODE),目的是研制性能可靠的、預警準確的短距離激光誘導熒光雷達系統(tǒng),用于歐盟各成員國對生物戰(zhàn)劑的聯(lián)合防御。BODE計劃由法國Cilas公司領導,研究組由多個歐盟成員國的公司和研究機構組成,系統(tǒng)研制時間為2 a。BODE系統(tǒng)采用德國宇航中心設計制造的基頻波長1 064 nm、單脈沖功率200 mW、脈沖重復頻率10 Hz的Nd:YAG激光器作為激光源,并通過倍頻得到多種發(fā)射波長激光;接收望遠鏡采用英國Biral公司制造的直徑150 mm牛頓反射式望遠鏡,接收的回波信號經空間濾波后導入后續(xù)光路及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),分別由光電倍增管和光譜儀、ICCD成像裝置測量彈性后向散射光強度和熒光光譜;系統(tǒng)控制軟件和數(shù)據(jù)處理軟件分別由法國Cilas公司和法國武器總指揮部研發(fā),系統(tǒng)實物圖如圖13所示。BODE系統(tǒng)在瑞典國防研究機構的試驗場進行了多次測試,結果表明BODE系統(tǒng)可有效區(qū)分生物戰(zhàn)劑模擬劑的種類[19,29]。
圖13 BODE系統(tǒng)實物圖
(????)(????)
[14]Pan Y L,Hill S C,Pinnick R G,et al.Fluorescence spectra of atmospheric aerosol particles measured using one or two excitation wavelengths:comparison of classification schemes employing different emission and scattering results[J].Opt Express,2010,18(12):12 436-12 457.
[15]Veerabuthiran S,Razdan,A K.Lidar for detection of chemical and biological warfare agents[J].Defence Science Journal,2011,61(3):241-250.
[16]Christesen S D,Merrow C N,DeSha M S,et al.UV-fluorescence lidar detection of bioaerosols[J].Proc SPIE,1994,2 222:228-237.
[17]Smith S.Multimiltion-dollar lidar system to detect biological-warfare agents[J].Laser Focus World,1996,32(2):13.
[18]Mendonsa R A.Lidar protects against biological warfare agents[J]. Photonics Spectra,1997,31(2):20-37.
[19]吳慧云,孫振海,黃志松,等.生化戰(zhàn)劑激光偵檢技術的發(fā)展概述[J].激光與光電子學進展,2013,50(2):1-9.
[20]Kroutil R T,Combs R J,Knapp R B,et al.Infrared interferogram analysis for ammonia detection with passive FTIR spectrometry[J]. Proc SPIE,1996,2 763:86-102.
[21]McManamon P F,Buell W F,Choi M G,et al.Laser radar:progress and opportunities in active electro-optical sensing[M].Washington D.C.:The National Academies Press,2014:89-95.
[22]Condatore L A,Guthrie R B,Bradshaw B J,et al.U.S.army soldier and biological chemical command counter proliferation long rangebiological standoff detection system[J].Proc SPIE,1999,3 707:188-196.
[23]肖存杰.外軍化學戰(zhàn)劑檢測裝備現(xiàn)況[J].解放軍預防醫(yī)學雜志,2008,26(3):230-234.
[24]Suliga W,Burnham R L,Deely T,et al.Short-range biological standoff detection system(SR-BSDS)[J].Proc SPIE,1999,3 855:219-223.
[25]Mullen L J.Hybrid LIDAR-radar:seeing through the scatter[J].IEEE Microwave Magazine,2000,1(3):42-48.
[26]Suliga W,Burnham R L,Deely T,et al.Short-range biological standoff detection system(SR-BSDS)[J].Proc SPIE,1999,3 855:72-81.
[27]Carlisle C B,van der Laan J E,Carr L W,et al.CO2laser-based differential absorption lidar system for range-resolved and long-range detectionofchemicalvaporplumes[J].ApplOpt,1995,34(27):6187-6 200.
[28]Flanigan D F.A short history of remote sensing of chemical agents[J]. Proc SPIE,1996,2 763:2-17.
[29]李鑫,吳慧云,黃志松,等.生物戰(zhàn)劑檢測技術及其研究進展[J].軍事醫(yī)學,2014,38(4):312-316.
[30]Rustad G,F(xiàn)arsund O.Standoff detection of biological aerosols by UV-laser induced fluorescence-results from Ume? trial 2006[R]. Kjeller:Norwegian Defence Research Establishment,2008.
[31]Buteau S,Simard J R,Rowsell S.Bioaerosols standoff detection simultaneously refereed with particle concentration(ppl)and viability units(ACPLA)[J].Proc SPIE,2009,748 408:1-12.
[32]Farsund O,Rustad G,Skogan G.Standoff detection of biological agents using laser induced fluorescence——a comparison of 294 nm and 355 nm excitation wavelengths[J].Biomed Opt Express,2012,3(11):2 964-2 975.
[33]Simard J R.Short-range bioaerosol LIDAR detection:transmitter design and sensitivity analysis[R].Valcartier:Defence R&D Canada,2006.
(收稿:2014-08-30 修回:2014-12-10)
隨著激光誘導熒光探測技術的發(fā)展和探測裝備的應用,利用激光誘導熒光探測生物戰(zhàn)劑氣溶膠已經證明是一種有效的生物戰(zhàn)劑預警手段,技術原理明確,應用前景廣闊。同時,現(xiàn)代光電技術的發(fā)展為生物戰(zhàn)劑激光誘導熒光探測技術多功能集成一體化鋪平了道路,也使探測系統(tǒng)更加輕量化和便攜化。作為激光生物檢測領域的前沿技術之一,激光誘導熒光探測技術仍有許多問題亟待解決。首先,由于天空背景輻射的存在,系統(tǒng)在白天工作時探測的信噪比低、漏警概率高,這也是氣溶膠激光誘導熒光探測系統(tǒng)通常在夜晚工作的原因,而提高白天探測的信噪比將有助于探測系統(tǒng)的實際應用。此外,從接收到的回波信號中快速提取出生物戰(zhàn)劑氣溶膠的特征信號并進行種類分辨和濃度確定對于及時制定應急處置方案、控制疫情擴散等具有重要意義,這將是該技術領域的重點研究方向之一。
[1] Boleij J,Buringh E,Heederik D,et al.Occupational hygiene of chemical and biological agents[M].New York:Elsevier,1995:1-23.
[2] 黃培堂,沈倍奮.生物恐怖防御[M].北京:科學出版社,2006:4-13.
[3] Raber E,Jin A,Noonan K,et al.McGuire RDecontamination issues forchemicalandbiologicalwarfareagents:howcleaniscleanenough[J]. International Journal of Environmental Health Research,2001,11(2):128-148.
[4] 楊瑞馥.炭疽芽孢恐怖及其相關問題[J].軍事醫(yī)學科學院院刊,2002,26(1):1-4.
[5] WANG J,YANG Y,ZHOU L,et al.Simultaneous detection of five biothreatagentsinpowdersamplesby a multiplexed suspension array[J]. Immunopharmacol Immunotoxicol,2009,31(3):417-427.
[6] 高樹田,張曉峰.現(xiàn)代生物戰(zhàn)劑檢測技術及其典型裝備[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2010,31(3):51-53.
[7] 羅振坤,王秋華.化學/生物戰(zhàn)劑激光雷達探測技術[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2011,32(1):81-84.
[8] Cabredo S,Parra A,Anzano J.Bacteria spectra obtained by laser induced fluorescence[J].J Fluoresc,2007,17(2):171-180.
[9] 陸同興,路軼群.激光光譜技術原理及應用[M].2版.合肥:中國科學技術大學出版社,2009:116-134.
[10]Measures R M.Laser remote sensing:fundamentals and applications[M].Florida:Krieger Publishing Company,1992:213-221.
[11]鄒炳芳.探測生物氣溶膠熒光激光雷達的設計研究[D].合肥:中國科學院合肥物質科學研究院,2007:4-12.
[12]P?hlker C,Huffman J A,P?schl U.Autofluorescence of atmospheric bioaerosols-fluorescent biomolecules and potential interferences[J]. Atmos Meas Tech Discuss,2011,4(5):5 857-5 933.
[13]Hill S C,Mayo M W,Chang R K,et al.Fluorescence of bacteria,pollens,and naturally occurring airborne particles:excitation/emission spectra[R].Adelphi:Army Research Laboratory,2009.
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
吳 勝(1987—),男,技師,主要從事衛(wèi)生防護防疫技術與裝備方面的研究工作,E-mail:ws_fmmu1987@163.com。
100853北京,解放軍總醫(yī)院醫(yī)務部(吳 勝);100850北京,軍事醫(yī)學科學院科技部(吳慧云,李 鑫,徐卸古)