研究人员报告了一种新型单光子拉曼激光雷达系统，该系统可以在水下运行并可以远程区分各种物质。他们还表明，新系统可以检测水下最远 12 m 处的石油厚度，这对于检测石油泄漏可能很有用。

新型单光子拉曼激光雷达适用于水下应用

“区分水中物质并检测其在海洋中的分布特征对于海洋监测和科学研究具有重要意义。”来自中国厦门大学的研究小组组长上官明嘉说。“例如，我们展示的水下石油遥感可用于监测水下石油管道的泄漏。”

尽管基于拉曼信号的激光雷达方法之前已用于检测水下物质，但现有系统并不实用，因为它们体积庞大且需要大量电力。

研究人员在《应用光学》杂志上描述了他们的新型激光雷达系统，该系统仅使用 1 μJ 的脉冲能量和 22.4 毫米的接收器孔径。整个激光雷达系统长40厘米，直径20厘米，可在水下1公里处运行。为了提高灵敏度，研究人员将单光子检测融入到他们的紧凑型水下拉曼激光雷达系统中。

“在自主水下航行器或遥控航行器上安装水下拉曼激光雷达系统可以监测水下石油管道的泄漏，”上官说。“它也有可能用于探索海洋资源或用于检测海底沉积物类型，例如珊瑚礁。”

水下激光雷达的单光子灵敏度

设计用于在船舶、飞机或卫星上在水面上运行的传统激光雷达系统可以实现大规模海洋剖面分析，但其探测深度有限，尤其是在汹涌的海况下。然而，拉曼激光雷达系统可以用于不同深度的水下分析，而不受海况的影响。

拉曼激光雷达的工作原理是向水中发射绿色激光脉冲，与石油等物质相互作用。这会激发非弹性拉曼信号，可用于识别物质。通过测量特定波长的拉曼信号强度，激光雷达可以提供有关水中油含量的信息。

“传统的拉曼激光雷达系统依靠增加激光功率和望远镜孔径来实现遥感探测，这导致系统体积大、功耗高，很难将激光雷达系统集成到水下航行器上。”上官说。“单光子探测技术的使用通过将探测灵敏度提高到单光子水平使这项工作成为可能。”

研究人员展示了他们的新激光雷达系统，用它来检测距离系统 12 m 的石英池中不同厚度的汽油。激光雷达系统和石英池均浸没在水深 0.6 m 的大水池中。激光雷达系统能够检测和区分所有厚度的汽油，范围从 1 毫米到 15 毫米。

研究人员目前正致力于增加单光子激光雷达系统的检测通道数量和拉曼光谱分辨率，以增强其区分水中不同物质的能力。这将使其能够用于分析水下气泡类型并检测珊瑚和锰结核。