【微光谱应用】基于无人机荧光传感器的水环境监测

图1a显示了与无人机集成的系统。我们使用的商用无人机(DJI M600 Pro)，最大的载重能力约为6kg。它有六个旋翼，以俯视的方式携带我们的激光诱导荧光系统。利用工业计算机进行系统控制和数据存储。图1b为激光诱导荧光系统示意图。激励源为连续波(CW)二极管激光器412型，输出功率为1000mw，波长为412nm。接收望远镜的直径为50毫米，焦距为200毫米。在探测系统前放置了425nm的长通滤波器Edmund Optics#84-742，以抑制激发光信号，同时完全通过荧光。

利用海洋光学USB4000小型光谱仪对光谱信号进行连续检测。光谱仪狭缝宽度为200μm，光谱分辨率为10nm。利用标准钨灯光源校准光谱检测响应。无人机配备了用于无人机推进和LIF系统运行的电池，并允许25分钟的连续检测。荧光传感器的总重量为1.5kg。

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如上图，搭建的无人机下方安装了荧光传感器，并在珠江上空进行扫描巡航。为了避免污染河流，我们将两个浮式容器固定在河流表面，如图5a所示。黄色斑点标记的是装有1L纯油的容器，浮筒中装满油层厚度约为1-2毫米的珠江水。红点表示另一个装满10升浓度为0.03g/l的罗丹明610染料稀溶液的容器。染料溶解在天然珠江水中，飞行路线设置为四次往返，飞行面积10m×20m(长×宽)，无人机平均飞行速度约3 km/h。

无人机在珠江充油集装箱上空飞行的慢速线性扫描结果。持续时间为50s，光谱仪的曝光时间为0.5s。

同时一桶含染料的水（0.03g/l）缓慢倒入江中，同时无人机在下游悬停，荧光传感器不断记录。时间持续约80s，光谱仪的曝光时间为0.5s。

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本应用描述了一种体积小、重量轻的荧光传感器，它提供了高质量的浅水水层荧光光谱，具有来自石油、溶解有机物（DOM）、藻类等的光谱特征，并可以使用水拉曼信号进行内部校准。整个系统的重量只有1.5kg，使用高功率连续波半导体激光器和小型光纤光谱仪就可以实现。

该系统集成在一架小型无人机上。本文所描述的小型系统提供了传统脉冲激光荧光传感器和连续激光Scheimpflug系统的良好替代方案，并且在性能和系统简洁程度上具有一定的优势。如果连续波半导体激光器工作在400nm以下，就可进一步实现人眼安全。当前版本的荧光传感器系统只能在夜间使用，这与具有范围选通、日间使用功能、同时在低环境光照条件下仍能更好地工作的脉冲激光雷达系统相比，这是一个明显的缺点。但利用足够高的连续波功率，并结合合适的调制方案进行背景减除，日光操作应该是可行的，可以大大扩展现有的测试能力。尽管有限的飞行高度和续航时间限制了大面积监视，但是机载荧光成像的成本相比传统方法降低许多，使得基于无人机的远程LIF技术成为一种在有限区域内进行污染遥测的有效方案。