تشخیص پلاستیک از راه دور با سیستم لایدار هایپراسپکترال

توسعه سیستم جدید لیزر لایدار تصویربرداری رامان هایپرسپکتال برای شناسایی پلاستیک‌ها

محققان یک سیستم جدید لیزر لایدار تصویربرداری رامان هایپرسپکتال توسعه داده‌اند که می‌تواند به‌طور از راه دور انواع مختلف پلاستیک‌ها را شناسایی و تشخیص دهد. این فناوری می‌تواند به حل مشکل بحرانی آلودگی پلاستیکی در اقیانوس‌ها کمک کند و ابزارهای بهتری برای نظارت و تحلیل ارائه دهد. توشیhiro سُمه‌کاوا، رهبر تیم تحقیقاتی از مؤسسه فناوری لیزر در ژاپن، گفت: “آلودگی پلاستیکی تهدید جدی برای اکوسیستم‌های دریایی و معیشت انسان‌ها به شمار می‌رود و بر صنایعی مانند شیلات، گردشگری و حمل و نقل تأثیر می‌گذارد.” وی افزود: “برای مدیریت و حفاظت از محیط زیست دریایی، ارزیابی اندازه، غلظت و توزیع زباله‌های پلاستیکی ضروری است؛ اما روش‌های سنتی آزمایشگاهی معمولاً زمان‌بر، پرهزینه و نیازمند نیروی کار زیاد هستند.”

توصیف 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 کم انرژی است و به همین دلیل برای استفاده بر روی پهپادها مناسب می‌باشد. آن‌ها نشان داده‌اند که این سیستم می‌تواند پلاستیک‌ها را از فاصله ۶ متری شناسایی کند و دارای میدان دید نسبتاً وسیع ۱ میلی‌متر در ۱۵۰ میلی‌متر است. سُمه‌کاوا گفت: “یک پهپاد مجهز به حسگر لایدار ما می‌تواند برای ارزیابی زباله‌های پلاستیکی در خشکی یا در دریا استفاده شود و راه را برای تلاش‌های هدفمندتر در زمینه پاکسازی و پیشگیری هموار کند.” وی همچنین افزود: “این سیستم می‌تواند برای سایر کاربردهای نظارتی، مانند **تشخیص نشت گازهای خطرناک** نیز مورد استفاده قرار گیرد.”

دستیابی به تشخیص از راه دور

محققان پیش‌تر یک سیستم نظارتی مبتنی بر تکنیک لایدار رامان فلش را نشان داده بودند که در آن فیلترهای باندپاس برای هر هدف اندازه‌گیری به‌طور متوالی تنظیم می‌شدند. با این حال، این تکنیک برای تشخیص پلاستیک‌های دریایی عملی نیست زیرا تعویض فیلترها مانع از اندازه‌گیری و تشخیص سه‌بعدی آنی می‌شود. گروه‌های تحقیقاتی دیگر نیز به بررسی استفاده از تصویربرداری رامان هایپرسپکتال 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 ثبت کند و نقشه‌های دقیقی از ترکیب و ساختار مولکولی تولید نماید. با این حال، تصویربرداری رامان هیپرطیفی معمولی 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 هیپرطیفی ترکیب کردند.

آنها این کار را با ساخت یک سیستم نمونه‌سازی انجام دادند که شامل یک لیزر سبز پالس‌دار با طول موج 532 نانومتر برای اندازه‌گیری لیدار و یک طیف‌سنج تصویربرداری دو بعدی مجهز به CCD تقویت‌شده با دروازه (ICCD) بود. سیگنال رامان که از یک هدف دور بازتابیده شد، به صورت یک خط عمودی شناسایی گردید و اطلاعات هیپرطیفی موجود در هر نقطه به صورت افقی ثبت شد. استفاده از دوربین ICCD که می‌تواند در مقیاس زمانی نانوثانیه‌ای دروازه‌گذاری شود، برای دستیابی به اندازه‌گیری رامان لیدار با دقت‌های فاصله‌ای بالا ضروری بود.

تصویربرداری رامان با دقت فاصله‌ای

«ما سیستم خود را طراحی کردیم تا به‌طور همزمان تصاویر و اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی را به‌دست آورد»، گفت سُمِکاوا. «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 هیپرطیفی می‌تواند از اهداف در هر فاصله‌ای به‌دست آید، زیرا لیزر پالس‌دار امکان اندازه‌گیری‌های با دقت فاصله‌ای را فراهم می‌کند.»

محققان سیستم نمونه‌سازی خود را بر روی یک نمونه پلاستیکی که شامل یک ورق پلی‌اتیلن در موقعیت بالایی و یک ورق پلی‌پروپیلن در موقعیت پایینی بود، آزمایش کردند. از فاصله 6 متری، سیستم توانست طیف‌های مشخصه هر پلاستیک را به‌دست آورد و تصاویری از توزیع عمودی پلاستیک‌ها تولید کند. محققان می‌گویند که اندازه پیکسل تصویربرداری 0.29 میلی‌متر با دوربین ICCD در فاصله 6 متری نشان می‌دهد که زباله‌های پلاستیکی کوچک می‌توانند با استفاده از سیستم تصویربرداری رامان هیپرطیفی لیدار اندازه‌گیری و تحلیل شوند.

در مرحله بعد، محققان قصد دارند از سیستم خود برای نظارت بر میکروپلاستیک‌ها که در آب شناور یا غوطه‌ور هستند، استفاده کنند. این کار باید امکان‌پذیر باشد، زیرا نور لیزر در حدود 532 نانومتر به‌طور مؤثری از آب عبور می‌کند و شناسایی بهتری را در محیط‌های آبی فراهم می‌آورد.