1、目的:
　　釋放生物氣溶膠是生物恐怖襲擊的主要方式。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)生物氣溶膠的分辨與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在生物恐怖防范領(lǐng)域具有重大意義，是近年來各個(gè)國(guó)家研究的熱點(diǎn)之一。許多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)著力研究利用激光雷達(dá)技術(shù)有效快速地實(shí)現(xiàn)生物氣溶膠的監(jiān)控，縮短自己的預(yù)警反應(yīng)時(shí)間，降低損失。截止目前，他們?nèi)栽诹η笸苿?dòng)這項(xiàng)技術(shù)實(shí)用化和無人化。我國(guó)的生物恐怖襲擊監(jiān)測(cè)裝備的研發(fā)起步較晚，對(duì)于生物氣溶膠的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)手段主要依賴于抽氣式的生物氣溶膠點(diǎn)監(jiān)測(cè)器，其監(jiān)測(cè)范圍

2、小，受風(fēng)速影響大，部署成本高，存在明顯缺點(diǎn)。開展生物氣溶膠遙感裝置的研究對(duì)于我國(guó)戰(zhàn)場(chǎng)生防和城市反恐等領(lǐng)域具有重大現(xiàn)實(shí)意義。
　　方法和內(nèi)容:
　　本文通過對(duì)國(guó)外報(bào)道的生物氣溶膠遙測(cè)裝備的文獻(xiàn)的研究，結(jié)合我國(guó)生物氣溶膠監(jiān)測(cè)裝備的發(fā)展現(xiàn)狀和城市反恐的實(shí)際需求，提出小型便攜式近程生物氣溶膠遙測(cè)裝置的研究課題。準(zhǔn)確地識(shí)別生物粒子依賴于深入地了解目標(biāo)的光學(xué)特性。本文分別從生物氣溶膠粒子的光學(xué)散射和熒光特性、遙測(cè)系統(tǒng)的軟硬件仿真和設(shè)計(jì)以

3、及系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果等3個(gè)方面，系統(tǒng)地分析了生物氣溶膠遙測(cè)的原理和工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)。具體包括:
　　生物粒子的后向散射特性研究:生物粒子的粒徑分布位于約0.1～10um之間，其與近紫外激光相互作用具有特定的規(guī)律。本文利用Mie散射理論和T矩陣?yán)碚?，?duì)于生物氣溶膠的散射特性進(jìn)行分析和計(jì)算仿真，得到粒子的粒徑、折射率以及形狀與后向散射信號(hào)之間的關(guān)系，用以指導(dǎo)探測(cè)儀器的功能實(shí)現(xiàn)。
　　生物粒子內(nèi)源性熒光特性分析:生物粒子所含的內(nèi)源性熒光

4、物質(zhì)使得測(cè)量生物熒光可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于生物粒子種類的辨別。同時(shí)生物體自身新陳代謝以及外部環(huán)境條件會(huì)導(dǎo)致熒光分子含量和活性的變化，進(jìn)一步導(dǎo)致粒子熒光特性發(fā)生改變，影響熒光測(cè)量的準(zhǔn)確性。本文從細(xì)胞的熒光光譜和主要內(nèi)源性熒光分子兩個(gè)方面對(duì)其熒光特性進(jìn)行闡述，并對(duì)比常見干擾物的熒光特性。通過結(jié)合生物粒子的熒光數(shù)學(xué)模型以及粒子體內(nèi)的物質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算仿真生物粒子的熒光特性隨新陳代謝的變化情況。
　　基于人眼安全的激光雷達(dá)光源參數(shù)優(yōu)化設(shè)置:激光雷達(dá)

5、具有監(jiān)測(cè)范圍廣的特點(diǎn)，其探測(cè)性能與其對(duì)于周圍人眼安全的危險(xiǎn)程度是正相關(guān)的，這兩方面的表現(xiàn)均取決于激勵(lì)光源的參數(shù)設(shè)置。本文利用探測(cè)信噪比作為評(píng)價(jià)探測(cè)性能的指標(biāo)，利用《ANSI Z136.1-2000美國(guó)激光標(biāo)準(zhǔn):激光的安全使用》作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)安全性的指標(biāo)，綜合比較傳統(tǒng)脈沖激光雷達(dá)、微脈沖激光雷達(dá)和偽隨機(jī)調(diào)制激光雷達(dá)三種光源設(shè)置方式，結(jié)合人眼安全指標(biāo)和探測(cè)性能指標(biāo)計(jì)算出相同安全等級(jí)條件下最優(yōu)信噪比的光源設(shè)置參數(shù)。
　　基于非齊次馬爾科夫

6、過程的光子計(jì)數(shù)死時(shí)間效應(yīng)瞬態(tài)分析:為提高靈敏度，微脈沖激光雷達(dá)和偽隨機(jī)調(diào)制激光雷達(dá)通常使用光子計(jì)數(shù)器作為光電探測(cè)器。光子計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)存在死時(shí)間，與光電倍增管的信號(hào)特性不同，死時(shí)間效應(yīng)導(dǎo)致光子計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)出現(xiàn)畸變。本文利用非齊次馬氏鏈過程對(duì)于光子計(jì)數(shù)器的死時(shí)間效應(yīng)進(jìn)行理論分析、計(jì)算仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了死時(shí)間效應(yīng)的校正方法。
　　基于405nm激光的熒光探測(cè)和偏振探測(cè)聯(lián)合識(shí)別生物粒子技術(shù):不同的激發(fā)波長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致生物粒子產(chǎn)生不同的熒

7、光光譜。本文選擇將405nm半導(dǎo)體激光器作為遙測(cè)系統(tǒng)光源。通過對(duì)比幾種生物粒子的激發(fā)熒光光譜，定位了2個(gè)特征熒光譜帶。通過同時(shí)進(jìn)行偏振探測(cè)和2和熒光譜段探測(cè)，對(duì)于枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌和酵母菌進(jìn)行分辨。
　　基于偽隨機(jī)調(diào)制技術(shù)的便攜式近程生物氣溶膠遙測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì):基于連續(xù)半導(dǎo)體激光器研制的偽隨機(jī)調(diào)制雷達(dá)具有體積小、功耗低和攜行方便的特點(diǎn)，特別適合于快速部署和移動(dòng)監(jiān)控。本文針對(duì)于生物氣溶膠的遙測(cè)，優(yōu)化設(shè)計(jì)光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)和

8、光電信號(hào)采集系統(tǒng)，并編寫數(shù)據(jù)采集程序和處理程序，搭建了小型近程生物氣溶膠遙測(cè)雷達(dá)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。
　　結(jié)果:
　　根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)散射理論，隨機(jī)取向的粒子群的散射特性與單個(gè)粒子的平均散射特性相同，依此可以利用單粒子散射理論計(jì)算生物粒子云團(tuán)的散射特點(diǎn)?；谏锪Ｗ拥暮笙蛏⑸淅碚摚疚亩x了退偏率作為偏振探測(cè)的指標(biāo)，用于衡量具有不同長(zhǎng)短軸之比的橢球形粒子，該退偏率隨粒子長(zhǎng)短軸之比增長(zhǎng)單調(diào)遞減。
　　生物粒子的內(nèi)源性熒光主要來自于色氨酸、

9、酪氨酸、NADH以及核黃素等內(nèi)源性分子。通過結(jié)合生物粒子的熒光數(shù)學(xué)模型，本文描述粒子體內(nèi)的物質(zhì)代謝與粒子熒光效應(yīng)的關(guān)系，并舉例計(jì)算在355nm激光激發(fā)下大腸桿菌內(nèi)源性熒光隨新陳代謝變化，仿真假定使用±5mmol/gDW.h作為細(xì)菌內(nèi)外物質(zhì)交換的限制閾值，使用103mmol/gDW.h作為粒子內(nèi)部每個(gè)反應(yīng)通路的通量上限，計(jì)算結(jié)果表明初始等效粒徑為1um的大腸桿菌在外界營(yíng)養(yǎng)充足且環(huán)境不變條件下的熒光散射截面從0.012um2提高到0.028

10、um2。
　　通過計(jì)算比較傳統(tǒng)脈沖激光雷達(dá)、微脈沖雷達(dá)和偽隨機(jī)調(diào)制激光雷達(dá)的人眼安全等級(jí)以及探測(cè)信噪比，認(rèn)為微脈沖雷達(dá)的激光發(fā)射方式能量利用效率最優(yōu)。對(duì)于405nm波長(zhǎng)，在1類安全等級(jí)條件下光源的重復(fù)頻率和能量應(yīng)設(shè)置為55179Hz信噪比最高;在3類安全等級(jí)條件下光源的重復(fù)頻率和能量應(yīng)設(shè)置為4Hz信噪比最高。但是在允許的范圍內(nèi)，偽隨機(jī)調(diào)制激光雷達(dá)可以在相同的時(shí)間內(nèi)發(fā)射更多的激光脈沖，其發(fā)射脈沖的占空比可以達(dá)到1∶1，發(fā)射脈沖數(shù)量可

11、以達(dá)到微脈沖雷達(dá)的百倍甚至更多，可以提高信噪比和降低峰值功率。
　　在微脈沖激光雷達(dá)或偽隨機(jī)調(diào)制激光雷達(dá)技術(shù)中使用光子計(jì)數(shù)器由于死區(qū)時(shí)間會(huì)帶來計(jì)數(shù)的畸變，其主要表現(xiàn)為在強(qiáng)信號(hào)光照射下死時(shí)間效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致探測(cè)目標(biāo)區(qū)域信號(hào)的上下抖動(dòng)，會(huì)降低光子計(jì)數(shù)的測(cè)量值，會(huì)在信號(hào)回落時(shí)形成過沖現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)修正結(jié)果表明對(duì)于粒子密度較濃稠的生物氣溶膠，散射光通道可受到50％的抑制。
　　基于以上問題的研究和分析，本文提出便攜式人眼安全的遙測(cè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)

12、計(jì)方案，主要參數(shù)為:使用100mW的405nm連續(xù)激光器，調(diào)制頻率100MHz;使用口徑200mm的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡作為接收器，光闌設(shè)置為直徑12mm;使用4通道光子計(jì)數(shù)器同時(shí)進(jìn)行采集，其中兩路偏振探測(cè)通道，兩路熒光探測(cè)通道(450±20nm、520±20nm)，探測(cè)器具有相同的光程，同時(shí)聚焦于望遠(yuǎn)鏡前方200m處。
　　基于上述實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)于三種生物氣溶膠（枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌和酵母菌）和3種常見干擾物（樹葉腐殖質(zhì)、干燥泥土

13、和衣服染料）進(jìn)行實(shí)際的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:偏振探測(cè)和熒光探測(cè)的靈敏度約為105ppl，最遠(yuǎn)可以探測(cè)90m，其分別在20Lux和5Lux環(huán)境照度下正常工作。綜合偏振探測(cè)和熒光探測(cè)，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)可以區(qū)分三種生物氣溶膠云團(tuán)，其信號(hào)的回代誤報(bào)率分別為2.5％、5％和15％。3種常見干擾物相較于生物粒子，衣服染料（多環(huán)芳香烴）在450nm通道幾乎沒有信號(hào);泥土的520nm通道信號(hào)約為450nm的2倍關(guān)系;樹葉腐殖質(zhì)的熒光特性與生物粒子相近。