如何使用高光谱激光雷达平台用于监测昆虫多样性

监测昆虫种群是了解自然生态系统的重要组成部分，特别是当这些种群因农药使用或气候变化而出现下降时。一种基本方法是捕获活昆虫进行识别，这是一个相对耗时且昂贵的过程，但现在正在将更先进的光子探测技术应用于这项任务。

据麦姆斯咨询报道，丹麦NKT Photonics和瑞典隆德大学（Lund University）研究了如何使用高光谱激光雷达平台来计数昆虫、测量其翅膀拍动的频率，以及解析翅膀的相干散射以区分不同的物种。该研究结果以“Remote Nanoscopy with Infrared Elastic Hyperspectral Lidar”为题发表在Advanced Science期刊上，可能彻底改变昆虫监测现状。

豆娘翅膀的红外高光谱成像（可以根据数据评估翅膀厚度并识别昆虫）

研究人员开发的平台采用了一种称为弹性高光谱Scheimpflug激光雷达（EHSL）的技术。Scheimpflug原理最初源自航空摄影，涉及镜头和探测器相对于彼此倾斜，从而增加系统可以实现的焦深。

在图像传感器根据Scheimpflug原理定向的激光雷达系统中，指向大气的激光束的反向散射可以到达倾斜的传感器，所有反向散射回波同时聚焦，这是一条通过大光学孔径达到理论上无限焦深的途径。

在瑞典南部的试验中，NKT Photonics和隆德大学搭建了其实验设备，让夜间活动的昆虫穿过固定的激光束，并记录与昆虫的距离和反射光谱数据。该项目研究人员说道：“昆虫翅膀是一种薄膜。当激光照射到昆虫翅膀时，一些光从第一个表面反射，一些光穿过翅膀后从第二个表面反射。这会产生翅膀干涉图案。”

不同的昆虫物种具有特定的翅膀拍打频率和翅膀干涉图案，并且从这两种特征属性捕获数据可以使区分自然栖息地中的数百种自由飞行的昆虫物种成为可能。

实验监测平台采用连续波Scheimpflug激光雷达以及同一架构的非弹性高光谱版本，该版本之前已在荧光模式下开发和使用。项目研究团队表示，在激光雷达中结合光谱技术可以检索远距离的微小特征。

该项目在其发表的论文中表示：“此前已通过偏振激光雷达和双频激光雷达远程探昆虫测翅膀拍打。但到目前为止，还没有远程设备能够捕捉到翅膀干涉图案，通过光谱解析并唯一地确定翅膀厚度。”

该项目证明，新方法在夜间部署在野外时，成功捕获了飞行中昆虫的翅膀拍打信号，并为远程获取纳米级精度的昆虫翅膀厚度提供了可能性。

研究人员表示：“到目前为止，用于检测自由飞行昆虫的激光雷达技术主要依赖于翅膀拍打模式的频率分析，这需要在光束传输过程中进行多次翅膀拍打。我们的EHSL技术原则上可以通过单次微秒闪光（flash）来确定翅膀厚度。”

其它形式的光学遥感或环境监测也可以利用基于相同原理的探测设备。该项目指出，用于植被冠层的高光谱激光雷达可以改善树种分类并报告叶子水分、施肥或内部叶子结构，同时也可以对温室气体和其它分子进行大气传感。

审核编辑：刘清