水下光散射仪

英国科学家首次展示了一种新型激光雷达系统，其使用量子探测技术在水下获取3D图像。该系统拥有极高的灵敏度，即便在水下极低的光线条件下也能捕获详细信息，可用于检查水下风电场电缆和涡轮机等设备的水下结构，也可用于监测或勘测水下考古遗址，以及用于安全和防御等领域。相关研究论文刊发于4日出版的《光学快报》杂志。　　在水下实时获取物体的3D图像极具挑战性，因为水中的任何粒子都会散射光并使图像失真。基于量子的单光子探测技术具有极高的穿透力，即使在弱光条件下也能工作。在最新研究中，研究人员设计了一个激光雷达系统，该系统使用绿色脉冲激光源来照亮目标场景。反射的脉冲照明由单光子探测器阵列检测，这一方法使超快的低光检测成为可能，并在光子匮乏的环境（如高度衰减的水）中大幅减少测量时间。　　激光雷达系统通过测量飞行时间（激光从目标物体反射并返回系统接收器所需的时间）来创建图像。通过皮秒计时分辨率测量飞行时间，研究人员可以解析目标的毫米细节。最新方法还能区分目标反射的光子和水中颗粒反射的光子，使其特别适合在高度浑浊的水中进行3D成像。他们还开发了专门用于在高散射条件下成像的算法，并将其与图形处理单元硬件结合使用。在3种不同浊度水平下的实验表明，在3米距离的受控高散射场景中，3D成像取得了成功。

近期，中国科学院半导体研究所研发的“水睛”水下高分辨率环视摄像机完成了针对水下礁盘的摸底海试工作。海洋观测是开发海洋资源、保护海洋生态的关键技术，受到全球的关注，但是目前海洋生物群落及环境变化监测技术仍无法满足海洋大时空数据获取的需求，特别是深海。光学成像技术可提供高分辨率、符合人眼视觉特征的图像，但是在保障高分辨率的前提下存在视场小的问题，难以实现大范围的海底详查的需求。针对此种情况，半导体所周燕、王新伟及其科研团队研制了水下高分辨率环视摄像机“水睛”，可实现水下高分辨率大视角的光学成像，具备180°下视走航观测和360°原位环视观测两种模式（图1）。本次海试中，“水睛”搭载半导体所海面移动光学试验平台“冲浪者”号（图2），在约1000平方米海域进行了水下高分辨观测，完成了海上走航式观测、定点原位观测等摸底性观测试验，验证了设备具备5900万像素下良好的实时彩色成像功能。图1 水下环视摄像机的下视及环视工作模式（上图下视模式，下图环视模式）图2 搭载冲浪者号走航式观测过程中的“水睛”摄像机此次海试，研究人员利用水下摄像机多次完成了礁盘生态系统的观测，拍摄了大量的珊瑚、海星、贝类、鱼类等，形成了水下光学彩色图像库（图3），可用于海洋光学图像处理、目标识别等算法研究。图3海域美丽的珊瑚、鱼类、海星、砗磲等除珊瑚及鱼类等生物要素外，本次海试中，在海底还发现了生物附着的碗和盘子各一只（图4）。图4 生物附着的盘子和碗此次海试由半导体所和南开大学共同组织完成，除“水睛”摄像机外，还利用多参量海洋水体测量系统完成了海洋温盐深、核素、水体光学衰减系数等海洋水体多物理化学参量采集。相关工作得到了南方海洋实验室、中科院青促会项目的经费支持。 图5 项目团队及设备在海试现场

近几十年来最伟大的技术成就离不开纳米材料。它们为医学、可再生能源、化妆品、建筑材料、电子设备等领域的突破性改进奠定了基础。纳米材料具有形成新材料的潜力，因此人们对它们的性能和相互作用有很大的研究兴趣。各种纳米结构材料在现代材料中起着至关重要的作用。然而，这种体系通常与较大的结构共存，仅分析纳米级或微米级并不能完全表征样品。小角X射线散射 (SAXS）是表征纳米结构材料的标准方法之一，因为其广泛的适用性和原位测试的可能性。“经典”小角散射被限制在大约300 nm的最大尺寸范围内，当涉及到大尺寸范围的体系时，限制了SAXS的使用。USAXS (ultra-small angle X-ray scattering) 可以通过测量极小的散射角，将X射线散射实验的可探测尺度范围扩展到微米范围。通过这种方式，可以在单个装置中测量微米和纳米尺度，使得SAXS成为纳米颗粒分析中最通用的表征方法之一。本文我们展示了USAXS测量二氧化硅微球，作为该方法概念的证明。使用Anton Paar SAXSpoint 5.0小角X射线散射仪配备了可选的USAXS模块。安装这个USAXS模块后，X射线散射实验的最小q值 (qmin) 可达0.0012 nm-1(0.00012 Å)。这对应的实空间颗粒尺寸可达2.6 µm。SAXSpoint 5.0这种扩展的超小q范围可通过使用所谓的Bonse-Hart设置来实现，其中两块对齐和精确切割出Si 220通道切割组件。在测量中，主通道切口（位于样品前）用于进一步准直光束并进一步减小光束发散。次级CC用作分析晶体，以极小的角度增量扫描散射光子，以记录USAXS曲线。图 1: 安装在SAXSpoint 5.0系统内的 Anton Paar USAXS 模块在实验中，通道切割组件可以移入和移出光束。这允许测量大q范围内连续散射曲线（高达四十多），涵盖USAXS、SAXS和WAXS区域。SAXSpoint的USAXS模块是集成到SAXSdrive数据采集软件中并可实现自动测量实验为了证明Anton Paar USAXS模块的潜力，购买了一种经验证直径为 (1.53 ± 0.02) µm颗粒的水溶液。对该实验，系统配备了Primux 100 Cu Kα( λ = 0.154 nm)的微焦斑X射线管，Anton Paar USAXS 模块，和Dectris的EIGER2R 1M探测器。USAXS数据是在透射模式下采集q范围从0.0012 nm-1到0.04 nm-1。 为了防止测量过程中出现沉淀Primux 100 Cu Kα( λ = 0.154 nm)，测量是在连续流动的情况下进行的，同时不断搅拌储液罐中的溶液。图 2: USAXS测量数据和1.53 µm特定直径的二氧化硅颗粒分散体的拟合数据。使用简单的IFT（反傅里叶变换）拟合来分析数据。图2显示了IFT拟合曲线与数据点。可以看出，拟合完美的与测量数据吻合。图 3: 拟合的 p(r) 曲线。根据对称的 p(r) 曲线，计算出球的直径为1.515 µm。图3显示通过拟合得到的相应的对距离分布函数（PDDF或p(r)），用于拟合的最大尺寸为1600 nm。PDDF的对称形状证实了是球形颗粒 ，通过p(r) 计算均匀球体的直径，得出Dmax 为1.515 µm。这与标称粒径1.530 µm 完全一致。由于不需要多分散性来模拟数据，因此也就证明了样品的单分散性。结论这个研究可以证明，在带有微焦斑X射线管的SAXSpoint 5.0 系统上，qmin 为0.0012 nm-1 的超小角X射线散射是可行的。这使得USAXS也可以在实验室使用，减少了对同步加速器线站实验的需求。成功测量和评估了标称直径为1.53 µm的SiO2球体的数据。散射数据的评估结果是颗粒直径为1.515 µm，与标称粒径非常一致。此外，还证明了样品的单分散性。安东帕中国总部销售热线：+86 4008202259售后热线：+86 4008203230官网：www.anton-paar.cn在线商城：shop.anton-paar.cn