厦门大学的研究人员开发了一个单光子拉曼激光雷达系统,它可以在水下操作,远程识别各种物质。

石油能源的运输主要途径是密布海底的输油管道，为了保护海洋环境，检测水下输油管道是否存在泄漏是一个重大课题。

据《激光制造网》了解，近日，厦门大学宣布开发出了一个新的单光子拉曼激光雷达系统，这是一款更紧凑、更节能的激光雷达系统，该系统可以在恶劣的海底环境中操作使用，远程识别石油和其它物质。将激光雷达系统集成到自主水下航行器中将使该设备更容易检查深层管道，还可以探测沉积物类型和勘探海洋资源。

该研究团队发表在《应用光学》的一篇论文称，传统的拉曼激光雷达系统依靠增加激光功率和望远镜孔径来实现遥感探测,这导致了大系统尺寸和大功率消耗,使得激光雷达系统很难与水下飞行器相结合。利用单光子探测技术使这项工作成为可能。

尽管激光雷达的遥感能力通常与大气应用相关，从农业测量到自动驾驶汽车，但科学家们也一直致力于探索光子传感技术的发展,将其作为通往更加通用的海洋激光雷达平台的途径,以将其能力扩展到水下环境领域。传统激光雷达系统的探测深度有限,特别是在恶劣的海洋环境中，但是拉曼激光雷达探测弹性反散射光和特定分子的拉曼信号,可以在不同深度使用,且不受海洋条件的影响。

在2023年5月，赫里奥特-瓦特大学就曾宣布一种基于皮秒分辨率时间相关单光子计数的替代激光雷达设备，据说由于该架构允许增强的灵敏度，该设备适合水下使用。

据厦门大学的研究团队介绍,他们的雷达设备长40厘米,直径20厘米,可承受水下1公里的运行条件。

在测试演示中,新的激光雷达系统被用来检测距离雷达系统几米远的石英电池中的不同厚度的汽油。激光雷达系统和石英电池都被淹没在一个巨大的水池中,深度为0.6米。在这些概念验证试验中,激光雷达系统能够检测和区分1到15毫米范围内的汽油厚度。

“由于单光子的敏感性，用脉冲能量为1微焦耳的激光器和直径为22.4毫米的望远镜实现了对水下石油相对较弱的拉曼背向散射信号的探测，”研究团队在论文中指出，“进行了一次实验演示，获得了不同厚度的水下石油的距离分辨拉曼背向散射，距离达12米。”

研究人员现在正致力于增加单光子激光雷达系统的探测通道和拉曼光谱分辨率,以提高其鉴别水中不同物质的能力。这将使其能够用于分析水下气泡的类型，以及检测珊瑚和锰结核矿物质。