检测水中的地下石油可以帮助监测水下石油管道的泄漏情况。中国一所大学的研究人员表示，他们开发了一种拉曼激光雷达系统，可以测量最远 12 m 距离的水下石油厚度。
新设备的关键是一个高灵敏度的单光子探测器，它可以从石油产品中拾取相对较弱的拉曼反向散射信号。光纤连接增加了系统的稳健性。
将遥感技术引入水下
尽管激光雷达的遥感能力通常与大气应用相关，从农业测量到自动驾驶汽车，但科学家们一直在将其能力扩展到水域领域。研究人员使用了两种类型的水下激光雷达：激光诱导荧光和拉曼光谱。前者可以感知化学品泄漏以及浮游植物和藻类的繁殖。然而，荧光激光雷达无法识别产生类似信号的物质，而且波涛汹涌的大海会降低其性能。
拉曼激光雷达系统可以区分水中的油、溶解的二氧化碳和其他物质。问题是：拉曼散射的小横截面需要强大的激光器和大孔径探测器，它们共同构成了一个消耗大量功率的庞大系统。
中国厦门大学的Mingjia Shangguan领导的团队意识到单光子探测器可以提高拉曼激光雷达系统的灵敏度。研究人员选择了硅雪崩光电二极管，这样就不再需要高压电源。
水下拉曼激光雷达的工作原理
拉曼激光雷达系统采用脉冲 1064 nm 激光作为种子，但由于水下激光雷达通常在可见光波段工作，因此后放大硼酸锂晶体将激光频率加倍至 532 nm，产生脉冲能量为 1 μJ 的绿光束。直径 22.4 毫米的望远镜接收反向散射信号并通过多模光纤馈送信号。信号在到达紧凑型硅雪崩光电二极管之前先通过一对滤波器来阻挡背景噪声。
为了测试他们的原型，研究人员将系统和装有汽油的石英电池浸入一个大水池中水下 0.6 m 处，并将它们放置在相距 12 m 的地方。该系统成功检测到油并能够区分其不同的厚度，范围从 1 毫米到 15 毫米。
据研究团队介绍，原型系统仅使用单波长通道。需要更多的光谱滤波器和通道来区分不同类型的石油产品和其他物质。
厦门课题组希望建立一个使用蓝色激光的系统来减少藻类中叶绿素的荧光信号，该信号会干扰来自石油的拉曼反向散射信号。将激光雷达系统集成到自主水下航行器中将使该设备更容易检查深层管道。
