吳 勝，吳慧云，李 鑫，徐卸古

國(guó)外生物戰(zhàn)劑激光探測(cè)技術(shù)及裝備研制進(jìn)展

吳 勝，吳慧云，李 鑫，徐卸古

介紹了生物戰(zhàn)劑激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)技術(shù)的基本原理及激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，分析了該技術(shù)在生物戰(zhàn)劑偵察報(bào)警領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，綜述了近年來(lái)美國(guó)、加拿大、歐洲等國(guó)家地區(qū)生物戰(zhàn)劑激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)技術(shù)發(fā)展及裝備研制的進(jìn)展情況。最后指出了該技術(shù)亟待解決的問(wèn)題及應(yīng)用前景，以期為國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究提供參考。

生物戰(zhàn)劑；激光誘導(dǎo)熒光；偵察報(bào)警

0 引言

生物武器的殺傷性主要來(lái)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(lái)，生物戰(zhàn)劑以其致病性及傳染性強(qiáng)、制造成本低、污染面積大、影響時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，一直威脅著人類(lèi)的安全[2-3]。面對(duì)生物戰(zhàn)劑在世界范圍內(nèi)大規(guī)模突發(fā)事件、恐怖活動(dòng)和非軍事領(lǐng)域的非法使用，世界各國(guó)越來(lái)越重視生物安全防御，并紛紛投入大量人力物力開(kāi)展生物戰(zhàn)劑偵檢技術(shù)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(cè)人員的接觸式采樣、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，或?qū)⒉蓸訕悠穾Щ貙?shí)驗(yàn)室進(jìn)行培養(yǎng)、分析與鑒定，檢測(cè)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)、速度慢，而且接觸式檢測(cè)會(huì)對(duì)檢測(cè)人員自身的安全造成嚴(yán)重的威脅[7]。

20世紀(jì)末，伴隨著激光器技術(shù)、光電器件制造技術(shù)和光譜檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成為生物戰(zhàn)劑非接觸式、實(shí)時(shí)在線探測(cè)的主要技術(shù)手段之一[8-9]。與接觸式檢測(cè)手段相比，激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)技術(shù)具有非接觸式、遠(yuǎn)距離、反應(yīng)迅速、預(yù)警時(shí)間長(zhǎng)和三維實(shí)時(shí)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。而對(duì)生物戰(zhàn)劑的遠(yuǎn)程探測(cè)和威脅報(bào)警是發(fā)現(xiàn)敵方使用生物武器并及時(shí)采取防護(hù)措施、減少人員傷亡的關(guān)鍵。如今，許多國(guó)家都在致力于研究和發(fā)展性能可靠的、靈敏度高的、預(yù)警準(zhǔn)確的生物戰(zhàn)劑激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)技術(shù)和裝備。本文就生物戰(zhàn)劑激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)技術(shù)原理及裝備發(fā)展情況綜述如下。

1 激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)技術(shù)原理

1.1 熒光與熒光基團(tuán)

組成物質(zhì)的分子都具有一系列緊密相隔的能級(jí)，稱為電子能級(jí)，每個(gè)電子能級(jí)中又包含一系列振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。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(jí)。當(dāng)分子受到適當(dāng)波長(zhǎng)的激光照射時(shí)，基態(tài)上的部分分子吸收光子，并在很短的時(shí)間（約10-15s）內(nèi)躍遷到激發(fā)態(tài)上。處于激發(fā)態(tài)的分子不穩(wěn)定，會(huì)通過(guò)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(guò)程稱為弛豫過(guò)程，包括振動(dòng)弛豫、內(nèi)轉(zhuǎn)換、外轉(zhuǎn)換、系間跨躍等非輻射過(guò)程和熒光發(fā)射等輻射過(guò)程。當(dāng)激發(fā)態(tài)分子通過(guò)振動(dòng)弛豫、內(nèi)轉(zhuǎn)換等非輻射過(guò)程躍遷到第一激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)時(shí)，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(guò)程稱為熒光發(fā)射[11]。

處于某一分子環(huán)境的熒光基團(tuán)，其熒光特性可由激發(fā)波長(zhǎng)（excitation wavelength，λex）、發(fā)射波長(zhǎng)（emission wavelength，λem）和量子產(chǎn)率（quantum yield）3個(gè)參數(shù)表征[12]。通常，熒光基團(tuán)的激發(fā)譜較寬、發(fā)射譜較窄。因?yàn)闊晒獍l(fā)射總是從振動(dòng)弛豫后的第一激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)躍遷的，因此熒光的特征之一就是λem＞λex，而且λem與λex無(wú)關(guān)。但熒光基團(tuán)在不同波長(zhǎng)激發(fā)光激發(fā)下，量子產(chǎn)率不同，熒光強(qiáng)度也就不同。對(duì)于復(fù)雜混合物，如細(xì)菌、真菌、花粉等，它們的熒光光譜是由各類(lèi)熒光基團(tuán)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(tuán)的熒光光譜主要集中在300～800 nm[13]，常見(jiàn)的生物粒子熒光基團(tuán)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(lèi)，而氨基酸是組成蛋白質(zhì)的基本單元，存在于所有生物有機(jī)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(lèi)，存在于新陳代謝較旺盛的生物有機(jī)體中，而無(wú)明顯新陳代謝活動(dòng)的有機(jī)體（真菌孢子、細(xì)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(jī)體的標(biāo)志物；纖維素（λex=250～350 nm）、殼質(zhì)（λex=～335 nm）屬于結(jié)構(gòu)化合物類(lèi)，是細(xì)菌、真菌等生物粒子細(xì)胞壁的主要組成物質(zhì)。生物粒子中各種熒光基團(tuán)的含量不同，在激光誘導(dǎo)下的熒光量子產(chǎn)率也不同，相應(yīng)的熒光強(qiáng)度就不同，而非生物粒子在300～800 nm范圍內(nèi)幾乎沒(méi)有熒光[14]。因此，利用不同粒子總熒光強(qiáng)度及熒光光譜的差異來(lái)區(qū)分生物粒子和非生物粒子，可以實(shí)現(xiàn)生物戰(zhàn)劑氣溶膠的精確預(yù)警。

圖1 常見(jiàn)的生物粒子熒光基團(tuán)的激發(fā)與發(fā)射譜

1.2 激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)系統(tǒng)

激光誘導(dǎo)熒光遠(yuǎn)程探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，系統(tǒng)核心由光源與發(fā)射模塊、信號(hào)接收模塊、光電轉(zhuǎn)換與測(cè)量模塊和系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)分析模塊4個(gè)部分組成，另外還有動(dòng)力單元和冷卻系統(tǒng)、自動(dòng)報(bào)警模塊等。光源與發(fā)射模塊通常由激光器、光束準(zhǔn)直器和光束發(fā)射裝置組成，用于向目標(biāo)處發(fā)射激光。目前，生物氣溶膠激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)系統(tǒng)常用的激光波長(zhǎng)主要是266和355 nm，分別用于激發(fā)氨基酸類(lèi)和輔酶類(lèi)物質(zhì)的熒光[15]。信號(hào)接收模塊主要包括接收望遠(yuǎn)鏡、分光裝置、濾光片、光譜儀等，主要作用是接收回波信號(hào)（包括彈性后向散射信號(hào)、熒光信號(hào)等），并根據(jù)不同的波長(zhǎng)導(dǎo)入相應(yīng)的探測(cè)通道。光電轉(zhuǎn)換與測(cè)量模塊的主要作用是將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電信號(hào)，并由探測(cè)器測(cè)量。常用的探測(cè)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(zé)是確保激光發(fā)射、回波信號(hào)接收、光電轉(zhuǎn)換、測(cè)量和存儲(chǔ)能夠協(xié)調(diào)工作，以及對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，為生物戰(zhàn)劑威脅報(bào)警提供依據(jù)。激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)，光源產(chǎn)生激光束，激光束經(jīng)準(zhǔn)直后由發(fā)射裝置發(fā)射至目標(biāo)處，光束與目標(biāo)處氣溶膠云團(tuán)相互作用后的回波信號(hào)由接收裝置接收，接收信號(hào)經(jīng)濾波后進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和測(cè)量，完成對(duì)目標(biāo)處氣溶膠的探測(cè)，并依據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果作出是否存在生物戰(zhàn)劑及種類(lèi)的判斷。

圖2 激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 生物戰(zhàn)劑激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)裝備的發(fā)展情況

自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，美、加、英、德、法等國(guó)相繼開(kāi)展生物戰(zhàn)劑激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)技術(shù)的研究，取得了很大進(jìn)展，并已研制出多種型號(hào)的探測(cè)裝備。

2.1 美國(guó)

1994年，美國(guó)陸軍埃奇伍德研究、發(fā)展與工程中心為評(píng)估生物熒光效應(yīng)在生物氣溶膠探測(cè)與分辨中的能力，研制出一臺(tái)用于生物氣溶膠遠(yuǎn)程探測(cè)的激光誘導(dǎo)熒光雷達(dá)系統(tǒng)[16]。系統(tǒng)采用波長(zhǎng)266 nm、最大單脈沖能量235 mJ、脈沖重復(fù)頻率10 Hz的Nd：YAG激光器；利用直徑16 in（1 in=25.4 mm）、視場(chǎng)角1.0 mrad的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡收集回波信號(hào)；分別使用光電倍增管、光譜儀及ICCD成像裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)266 nm彈性后向散射光、300～400 nm總熒光強(qiáng)度信號(hào)和熒光光譜信號(hào)。外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)探測(cè)距離為3 km時(shí)，系統(tǒng)對(duì)枯草桿菌黑色變種芽孢氣溶膠的最低探測(cè)質(zhì)量濃度為500 mg/m3。

1996年，美國(guó)陸軍化學(xué)和生物防御司令部與Fibertek公司簽訂了2臺(tái)用于生物戰(zhàn)劑探測(cè)的激光雷達(dá)系統(tǒng)的合同，合同金額為948萬(wàn)美元，研制時(shí)間為3a[17]。系統(tǒng)光源波長(zhǎng)289nm，為波長(zhǎng)266nm的Nd：YAG激光器經(jīng)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(shí)，大氣中的臭氧對(duì)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(yīng)。該雷達(dá)系統(tǒng)使用光電倍增管對(duì)300～400 nm范圍內(nèi)的總熒光強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，其設(shè)計(jì)的最遠(yuǎn)探測(cè)距離為5 km，可用于生物氣溶膠云團(tuán)的探測(cè)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(guó)陸軍化學(xué)和生物防御司令部分別于1996年和1999年研制了長(zhǎng)距離生物氣溶膠探測(cè)系統(tǒng)（longrangebiologicalstandoffdetectionsystem，LR-BSDS）和短距離生物氣溶膠探測(cè)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(yuǎn)鏡、信號(hào)采集和處理模塊等組成，用于對(duì)運(yùn)動(dòng)中的生物氣溶膠云團(tuán)進(jìn)行探測(cè)、測(cè)距和跟蹤，最大探測(cè)距離達(dá)30 km[18-19]。LR-BSDS質(zhì)量為590 kg，體積為3 m3，安裝在UH-60型直升飛機(jī)內(nèi)，并在機(jī)上完成信號(hào)處理，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖3所示[20]。之后，美軍又在LR-BSDS的基礎(chǔ)上研制了第二代激光雷達(dá)系統(tǒng)，稱為反擴(kuò)散長(zhǎng)距離生物氣溶膠探測(cè)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(zhǎng)為1.54μm，單脈沖能量為330mJ，脈沖重復(fù)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(yuǎn)鏡接收回波信號(hào)；使用電子傳輸增強(qiáng)型光探測(cè)器測(cè)量彈性后向散射信號(hào)強(qiáng)度，提供生物氣溶膠云團(tuán)的輪廓和位置信息，最大探測(cè)距離超過(guò)50 km。此外，CP LR-BSDS的穩(wěn)定性及信號(hào)處理的自動(dòng)化程度更高。

圖3 LR-BSDS實(shí)物圖

圖4 SR-BSDS實(shí)物圖

按照SR-BSDS計(jì)劃，美國(guó)陸軍化學(xué)和生物防御司令部與 Fibertek公司合作研制了一臺(tái)多波長(zhǎng)激光雷達(dá)系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖4所示[23]。SR-BSDS質(zhì)量為476 kg，采用1臺(tái)單脈沖能量 70 mJ的紅外激光器和1臺(tái)100 mJ的紫外激光器。紅外激光用于氣溶膠云團(tuán)的探測(cè)與跟蹤，最大探測(cè)距離為10km，距離分辨率為2.5m。當(dāng)發(fā)現(xiàn)可疑云團(tuán)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)射紫外激光，并根據(jù)回波信號(hào)判斷氣溶膠云團(tuán)的生物性。一旦確認(rèn)可疑云團(tuán)為生物氣溶膠云團(tuán)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并將報(bào)警信號(hào)和數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電通信網(wǎng)絡(luò)上傳至傳感器網(wǎng)絡(luò)指揮部。SR-BSDS紅外激光與紫外激光切換、生物氣溶膠分辨、報(bào)警與數(shù)據(jù)傳輸均實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，不需任何人為操作[24]。美軍已對(duì)SR-BSDS進(jìn)行了多次外場(chǎng)測(cè)試，以探討系統(tǒng)性能和人體安全問(wèn)題[23]。

2004年，美軍在國(guó)防部的資助下研制了聯(lián)合生物遙感探測(cè)系統(tǒng)（joint biological standoff detection system，JBSDS），目的是對(duì)生物戰(zhàn)劑氣溶膠云團(tuán)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)、跟蹤與分辨，以實(shí)現(xiàn)生物戰(zhàn)劑的早期預(yù)警。目前該系統(tǒng)已裝備美軍部隊(duì)，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示[25]。JBSDS采用波長(zhǎng)355 nm激光激發(fā)被探測(cè)生物氣溶膠熒光，水平觀測(cè)范圍為180°，最大探測(cè)距離為5 km，可實(shí)現(xiàn)生物氣溶膠分辨的最大距離為3 km。除開(kāi)啟和關(guān)閉需要手動(dòng)之外，系統(tǒng)的其他操作均可遠(yuǎn)程無(wú)線操控，自動(dòng)化程度較高。JBSDS安裝在多功能越野吉普車(chē)上，機(jī)動(dòng)性能良好，但無(wú)法對(duì)路面顛簸引起的系統(tǒng)失準(zhǔn)進(jìn)行報(bào)警[26-27]。

2004年，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制了戰(zhàn)神紫外激光誘導(dǎo)熒光雷達(dá)系統(tǒng)（Ares UV LIF lidar system），系統(tǒng)實(shí)物圖如圖6所示[28]。Ares系統(tǒng)為共軸系統(tǒng)，采用波長(zhǎng)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(yuǎn)鏡接收回波信號(hào)；光電倍增管和ICCD成像裝置分別測(cè)量彈性后向散射光強(qiáng)度和熒光光譜。Ares系統(tǒng)安裝在雙軸常平架上，水平觀測(cè)范圍為±45°，垂直觀測(cè)范圍為±20°，最大探測(cè)距離為5 km[21，28]。

圖5 JBSDS實(shí)物圖

圖6 Ares系統(tǒng)實(shí)物圖

目前，美軍正在研制緊湊的紅外/紫外混合激光雷達(dá)（Hybrid LIDAR）系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用二極管泵浦Nd：YAG激光器產(chǎn)生的1 064 nm激光進(jìn)行彈性后向散射測(cè)量，檢測(cè)生物戰(zhàn)劑氣溶膠云團(tuán)的位置、形狀、大小，并利用多普勒檢測(cè)邊緣濾波技術(shù)確定風(fēng)向和風(fēng)速；同時(shí)用于生物戰(zhàn)劑氣溶膠云感應(yīng)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(yīng)得到[29]。Hybrid LIDAR系統(tǒng)最終的目標(biāo)是研制出戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)樣機(jī)，預(yù)計(jì)樣機(jī)質(zhì)量34kg，體積0.042 5 m3，功率需求小于500 W。目前設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室型系統(tǒng)計(jì)劃測(cè)量氣溶膠濃度的距離為5 km，以1 m/s的分辨率測(cè)量風(fēng)場(chǎng)的距離為2 km，測(cè)量熒光的距離大于1 km[29]。

2.2 加拿大

加拿大國(guó)防部于1999年開(kāi)始研制集成化高光譜分辨率主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)（stand-off integrated bioaerosol active hyperspectral detection，SINBAHD），系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7所示[30]。SINBAHD系統(tǒng)采用波長(zhǎng)351 nm、單脈沖能量150 mJ、脈沖重復(fù)頻率125 Hz的氟化氙準(zhǔn)分子激光器作為激光源，光束通過(guò)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(chǎng)中穩(wěn)定工作；直徑300 mm、焦距1 270 mm的牛頓望遠(yuǎn)鏡接收回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)一系列光學(xué)元件及光譜儀分光后，由ICCD成像裝置進(jìn)行370～600 nm熒光光譜測(cè)量，光譜分辨率為5 nm[31]。加拿大的研究人員多次在外場(chǎng)試驗(yàn)中對(duì)SINBAHD系統(tǒng)在生物氣溶膠種類(lèi)鑒定與濃度測(cè)量方面的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。他們使用該系統(tǒng)對(duì)人工模擬的不同種類(lèi)的生物氣溶膠進(jìn)行了探測(cè)，并利用所得光譜數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同氣溶膠的分辨，光譜測(cè)量結(jié)果具有良好穩(wěn)定性；將氣溶膠熒光光譜標(biāo)準(zhǔn)化，利用簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)學(xué)算法，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠濃度的實(shí)時(shí)估計(jì)，結(jié)果與參考的測(cè)量方法得到的結(jié)果相符[30-32]。

2006年，加拿大國(guó)防部開(kāi)展了短距離激光誘導(dǎo)熒光雷達(dá)系統(tǒng)計(jì)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(dǎo)熒光雷達(dá)系統(tǒng)，用于大的封閉、半封閉空間及關(guān)鍵設(shè)施內(nèi)部（如地鐵、機(jī)場(chǎng)等）生物氣溶膠的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[33]。按照SR-BioSpectra計(jì)劃，加拿大國(guó)家光學(xué)研究所設(shè)計(jì)研制了一臺(tái)雷達(dá)系統(tǒng)樣機(jī)，采用波長(zhǎng)355 nm的二極管泵浦Nd：YAG激光器，使用牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡接收回波信號(hào)，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖8所示。

圖7 SINBAHD系統(tǒng)實(shí)物圖

圖8 SR-BioSpectra系統(tǒng)實(shí)物圖

2.3 歐洲

英國(guó)國(guó)防科技實(shí)驗(yàn)室在2003—2008年研制了3臺(tái)紫外激光誘導(dǎo)熒光雷達(dá)系統(tǒng)（Mk1、Mk2、Mk3）。這3臺(tái)雷達(dá)系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)是相同的，均采用共軸發(fā)射-接收系統(tǒng)：使用波長(zhǎng)266 nm、單脈沖能量40 mJ的Nd：YAG激光器，回波信號(hào)由直徑250 mm的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡接收[29]。Mk1系統(tǒng)采用光電倍增管測(cè)量總熒光信號(hào)強(qiáng)度。Mk2系統(tǒng)將接收到的回波信號(hào)分成2束，一束由光電倍增管測(cè)量熒光信號(hào)強(qiáng)度，另一束經(jīng)光譜儀分光后，由10單元的光電倍增管陣列測(cè)量300～500 nm熒光光譜。Mk2系統(tǒng)安裝在星際望遠(yuǎn)鏡底座上，在計(jì)算機(jī)軟件控制下以一定的高度、角度、速度對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描，繪制目標(biāo)區(qū)域的熒光強(qiáng)度分布，并采用支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）和貝葉斯統(tǒng)計(jì)算法對(duì)10維熒光光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行模式識(shí)別，以實(shí)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(guó)國(guó)防科技實(shí)驗(yàn)室已在英國(guó)、美國(guó)和加拿大對(duì)Mk2系統(tǒng)做過(guò)多次外場(chǎng)測(cè)試，以對(duì)其分辨性能進(jìn)行評(píng)估。Mk3系統(tǒng)在Mk2的基礎(chǔ)上，增加了波長(zhǎng)1 064 nm、單脈沖能量70 mJ的紅外激光源與彈性后向散射測(cè)量模塊，以實(shí)現(xiàn)生物氣溶膠云團(tuán)的跟蹤與范圍測(cè)量，最大探測(cè)距離達(dá)11 km。另外，Mk3系統(tǒng)在硬件與軟件方面也有一定的升級(jí)，系統(tǒng)實(shí)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(shí)物圖

圖11 雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)物圖（挪威）

挪威研制了一臺(tái)與加拿大SINBAHD系統(tǒng)類(lèi)似的高光譜分辨率激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)系統(tǒng)，質(zhì)量70 kg，主體安裝在30 cm×120 cm的光學(xué)平臺(tái)上，并由三腳架支撐，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖11所示。系統(tǒng)采用波長(zhǎng)355 nm、單脈沖能量150 mJ、脈沖重復(fù)頻率10 Hz的Nd：YAG激光器，激光經(jīng)擴(kuò)束與準(zhǔn)直后向目標(biāo)區(qū)域發(fā)射；回波信號(hào)由直徑250 mm、焦距1 200 mm的牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡接收，經(jīng)分束鏡分成2束，一束由光電倍增管測(cè)量355 nm彈性后向散射光強(qiáng)度，另一束由光譜儀分光、ICCD成像裝置接收進(jìn)行340～680 nm熒光光譜測(cè)量，光譜分辨率為7 nm[19，29]。

2007年，德國(guó)CBRN中心研制了一臺(tái)用于生物戰(zhàn)劑遠(yuǎn)程探測(cè)的車(chē)載多波長(zhǎng)激光雷達(dá)系統(tǒng)（biological agent LIDAR，BALI），系統(tǒng)實(shí)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(guò)測(cè)量氣溶膠云團(tuán)的彈性后向散射，確定云團(tuán)位置與范圍；利用二倍頻532 nm激光，測(cè)量云團(tuán)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(cè)量氣溶膠熒光強(qiáng)度及光譜。系統(tǒng)將這些光學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)組合作為氣溶膠云團(tuán)的“特征”，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析（如主成分分析等），以確定氣溶膠的生物性以及種類(lèi)。

圖12 BALI系統(tǒng)實(shí)物圖

2007年，歐盟開(kāi)展了生物光學(xué)探測(cè)設(shè)備計(jì)劃（biological optical detection equipment，BODE），目的是研制性能可靠的、預(yù)警準(zhǔn)確的短距離激光誘導(dǎo)熒光雷達(dá)系統(tǒng)，用于歐盟各成員國(guó)對(duì)生物戰(zhàn)劑的聯(lián)合防御。BODE計(jì)劃由法國(guó)Cilas公司領(lǐng)導(dǎo)，研究組由多個(gè)歐盟成員國(guó)的公司和研究機(jī)構(gòu)組成，系統(tǒng)研制時(shí)間為2 a。BODE系統(tǒng)采用德國(guó)宇航中心設(shè)計(jì)制造的基頻波長(zhǎng)1 064 nm、單脈沖功率200 mW、脈沖重復(fù)頻率10 Hz的Nd：YAG激光器作為激光源，并通過(guò)倍頻得到多種發(fā)射波長(zhǎng)激光；接收望遠(yuǎn)鏡采用英國(guó)Biral公司制造的直徑150 mm牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡，接收的回波信號(hào)經(jīng)空間濾波后導(dǎo)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(cè)量彈性后向散射光強(qiáng)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(guó)Cilas公司和法國(guó)武器總指揮部研發(fā)，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖13所示。BODE系統(tǒng)在瑞典國(guó)防研究機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了多次測(cè)試，結(jié)果表明BODE系統(tǒng)可有效區(qū)分生物戰(zhàn)劑模擬劑的種類(lèi)[19，29]。

圖13 BODE系統(tǒng)實(shí)物圖

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（收稿：2014-08-30 修回：2014-12-10）

3 結(jié)語(yǔ)

隨著激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)技術(shù)的發(fā)展和探測(cè)裝備的應(yīng)用，利用激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)生物戰(zhàn)劑氣溶膠已經(jīng)證明是一種有效的生物戰(zhàn)劑預(yù)警手段，技術(shù)原理明確，應(yīng)用前景廣闊。同時(shí)，現(xiàn)代光電技術(shù)的發(fā)展為生物戰(zhàn)劑激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)技術(shù)多功能集成一體化鋪平了道路，也使探測(cè)系統(tǒng)更加輕量化和便攜化。作為激光生物檢測(cè)領(lǐng)域的前沿技術(shù)之一，激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)技術(shù)仍有許多問(wèn)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(shí)探測(cè)的信噪比低、漏警概率高，這也是氣溶膠激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)系統(tǒng)通常在夜晚工作的原因，而提高白天探測(cè)的信噪比將有助于探測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。此外，從接收到的回波信號(hào)中快速提取出生物戰(zhàn)劑氣溶膠的特征信號(hào)并進(jìn)行種類(lèi)分辨和濃度確定對(duì)于及時(shí)制定應(yīng)急處置方案、控制疫情擴(kuò)散等具有重要意義，這將是該技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)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

吳 勝（1987—），男，技師，主要從事衛(wèi)生防護(hù)防疫技術(shù)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(wù)部（吳 勝）；100850北京，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院科技部（吳慧云，李 鑫，徐卸古）