شناسایی پلاستیک از راه دور با سیستم لیدار هایپراسپکتراl

توسعه سیستم جدید لیزر لایدار تصویربرداری رامان هایپرسپکترا برای شناسایی پلاستیک‌ها

محققان یک سیستم جدید لیزر لایدار تصویربرداری رامان هایپرسپکترا توسعه داده‌اند که می‌تواند به‌طور از راه دور انواع مختلف پلاستیک‌ها را شناسایی کند. این فناوری می‌تواند به حل مشکل بحرانی آلودگی پلاستیکی در اقیانوس‌ها کمک کند و ابزارهای بهتری برای نظارت و تحلیل ارائه دهد. توسعه آلودگی پلاستیکی تهدید جدی برای اکوسیستم‌های دریایی و معیشت انسان‌ها به شمار می‌آید و بر صنایعی مانند شیلات، گردشگری و حمل و نقل تأثیر می‌گذارد، این را توشیرو سُمِکاوا، رهبر تیم تحقیقاتی از موسسه فناوری لیزر در ژاپن، بیان کرد. او افزود: برای مدیریت و حفاظت از محیط زیست دریایی، ارزیابی اندازه، غلظت و توزیع زباله‌های پلاستیکی ضروری است، اما روش‌های سنتی آزمایشگاهی معمولاً زمان‌بر، نیروی انسانی‌بر و پرهزینه هستند.

معرفی سیستم جدید

در نشریه Optics Letters از گروه انتشارات Optica، محققان سیستم جدید خود را توصیف کرده‌اند که جمع و جور و بهینه‌سازی شده برای مصرف انرژی پایین است و به همین دلیل برای استفاده در پهپادها مناسب است. آن‌ها نشان می‌دهند که این سیستم می‌تواند پلاستیک‌ها را از فاصله ۶ متری شناسایی کند و دارای میدان دید نسبتاً وسیع ۱ میلی‌متر در ۱۵۰ میلی‌متر است. یک پهپاد مجهز به حسگر لایدار ما می‌تواند برای ارزیابی زباله‌های پلاستیکی دریایی در خشکی یا در دریا استفاده شود و راه را برای تلاش‌های هدفمندتر در زمینه پاکسازی و پیشگیری هموار کند، سُمِکاوا گفت. این سیستم همچنین می‌تواند برای سایر برنامه‌های نظارتی، مانند شناسایی نشت گازهای خطرناک، مورد استفاده قرار گیرد.

دستیابی به شناسایی از راه دور

محققان پیش‌تر یک سیستم نظارتی مبتنی بر تکنیک لایدار رامان فلش را نشان داده بودند که در آن فیلترهای باندپاس به هر هدف اندازه‌گیری برای شناسایی به‌طور متوالی تطبیق داده می‌شدند. با این حال، این تکنیک برای شناسایی پلاستیک‌های دریایی عملی نیست، زیرا تعویض فیلترها مانع از اندازه‌گیری و شناسایی ۳ بعدی آنی می‌شود. گروه‌های تحقیقاتی دیگر نیز به بررسی استفاده از تصویربرداری رامان هایپرسپکترا برای نظارت بر آلودگی پلاستیکی پرداخته‌اند.

ترکیب طیف‌سنجی رامان با تصویربرداری برای شناسایی مواد شیمیایی

این تکنیک، طیف‌سنجی رامان را با تصویربرداری ترکیب می‌کند تا اطلاعات شیمیایی فضایی را در سراسر یک نمونه به‌دست آورد و نقشه‌های دقیقی از ترکیب و ساختار مولکولی تولید کند. با این حال، تصویربرداری رامان هایپر طیفی سنتی تنها می‌تواند اهدافی را که نزدیک به دستگاه هستند، شناسایی کند. برای شناسایی از راه دور، محققان لیزر لیدار را برای اندازه‌گیری فاصله با طیف‌سنجی رامان هایپر ترکیب کردند.

آنها این کار را با ساخت یک سیستم نمونه‌سازی انجام دادند که شامل یک لیزر سبز پالس‌دار با طول موج ۵۳۲ نانومتر برای اندازه‌گیری لیدار و یک طیف‌سنج تصویربرداری دو بعدی مجهز به CCD تقویت‌شده (ICCD) بود. سیگنال رامان که از یک هدف دور بازتاب می‌شود، به‌صورت یک خط عمودی شناسایی شد و اطلاعات هایپر طیفی موجود در هر نقطه به‌صورت افقی ثبت گردید. استفاده از دوربین ICCD که می‌تواند در مقیاس زمانی نانوثانیه‌ای کار کند، برای دستیابی به اندازه‌گیری لیدار رامان با دقت‌های رنج بالا ضروری بود.

تصویربرداری رامان با تفکیک رنج

سومکاوا گفت: “ما سیستم خود را به‌گونه‌ای طراحی کردیم که تصاویر و اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی را به‌طور همزمان به‌دست آورد.” او افزود: “از آنجا که طیف رامان برای هر نوع پلاستیک منحصر به فرد است، اطلاعات تصویربرداری می‌تواند برای درک توزیع فضایی و نوع زباله‌های پلاستیکی استفاده شود و اطلاعات هایپر طیفی می‌تواند از اهداف در هر فاصله‌ای به‌دست آید زیرا لیزر پالس‌دار امکان اندازه‌گیری‌های تفکیک رنج را فراهم می‌کند.”

محققان سیستم نمونه‌سازی خود را بر روی یک نمونه پلاستیکی که شامل یک ورق پلی‌اتیلن در قسمت بالایی و یک ورق پلی‌پروپیلن در قسمت پایینی بود، آزمایش کردند. از فاصله ۶ متری، سیستم توانست طیف‌های مشخصه هر پلاستیک را به‌دست آورد و تصاویری از توزیع عمودی پلاستیک‌ها تولید کند. محققان می‌گویند که اندازه پیکسل تصویربرداری ۰.۲۹ میلی‌متر با دوربین ICCD در فاصله ۶ متری نشان می‌دهد که زباله‌های کوچک پلاستیکی می‌توانند با استفاده از سیستم تصویربرداری رامان هایپر اندازه‌گیری و تحلیل شوند.

در مرحله بعد، محققان برنامه‌ریزی کرده‌اند تا از سیستم خود برای نظارت بر میکروپلاستیک‌ها که در آب شناور یا غوطه‌ور هستند، استفاده کنند. این کار باید ممکن باشد زیرا نور لیزر در حدود ۵۳۲ نانومتر به‌طور مؤثری از آب عبور می‌کند و امکان شناسایی بهتر در محیط‌های آبی را فراهم می‌آورد.