Il sistema lidar per imaging iperspettrale consente l’identificazione remota della plastica

“L’inquinamento da plastica rappresenta una seria minaccia per gli ecosistemi marini e i mezzi di sussistenza umani, colpendo settori come la pesca, il turismo e la navigazione”, ha affermato il leader del gruppo di ricerca Toshihiro Somekawa dell’Istituto per la tecnologia laser in Giappone. “Per gestire e proteggere l’ambiente marino, è essenziale per valutare la dimensione, la concentrazione e la distribuzione dei detriti di plastica, ma i metodi tradizionali di laboratorio sono spesso dispendiosi in termini di tempo, manodopera e costosi.”

Sulla rivista del Gruppo Editoriale Ottica Lettere di otticai ricercatori descrivono il loro nuovo sistema, che è compatto e ottimizzato per un basso consumo energetico, rendendolo adatto all’uso a bordo di un drone. Dimostrano che il sistema può identificare la plastica che si trova a 6 metri di distanza con un campo visivo relativamente ampio di 1 mm x 150 mm.

“Un drone equipaggiato con il nostro sensore Lidar potrebbe essere utilizzato per valutare i detriti di plastica marina sulla terra o nel mare, aprendo la strada a sforzi di pulizia e prevenzione più mirati”, ha affermato Somekawa. “Il sistema potrebbe essere utilizzato anche per altre applicazioni di monitoraggio, come il rilevamento di fughe di gas pericolose.”

Raggiungere il rilevamento remoto

I ricercatori avevano precedentemente dimostrato un sistema di monitoraggio basato su una tecnica lidar Raman flash in cui i filtri passa-banda venivano abbinati a ciascun target di misurazione per il rilevamento in modo successivo. Questa tecnica, tuttavia, non è pratica per rilevare la plastica marina perché cambiare i filtri ostacolerebbe la misurazione e il rilevamento 3D istantanei.

Altri gruppi di ricerca hanno esplorato l’utilizzo dell’imaging Raman iperspettrale per monitorare l’inquinamento da plastica. Questa tecnica combina la spettroscopia Raman con l’imaging per acquisire informazioni chimiche risolte spazialmente in un campione, producendo mappe dettagliate della composizione e della struttura molecolare. Tuttavia, l’imaging Raman iperspettrale convenzionale può rilevare solo i target vicini allo strumento.

Per il rilevamento remoto, i ricercatori hanno combinato il lidar per la misurazione della distanza con la spettroscopia Raman iperspettrale. Lo hanno fatto costruendo un prototipo di sistema che includeva un laser verde pulsato da 532 nm per misurazioni lidar e uno spettrometro per immagini 2D dotato di un CCD intensificato con gate (ICCD). Il segnale Raman retrodiffuso da un bersaglio distante è stato rilevato come una linea verticale e le informazioni iperspettrali contenute in ciascun punto sono state registrate orizzontalmente. L’uso di una telecamera ICCD che può essere regolata su una scala temporale di nanosecondi è stato essenziale per ottenere la misurazione lidar Raman con risoluzioni a range ridotto.

Immagini Raman risolte in gamma

“Abbiamo progettato il nostro sistema per acquisire immagini e misurazioni spettroscopiche simultaneamente”, ha affermato Somekawa. “Poiché lo spettro Raman è unico per ogni tipo di plastica, le informazioni dell’immagine possono essere utilizzate per comprendere la distribuzione spaziale e il tipo di detriti di plastica e le informazioni iperspettrali possono essere ottenute da target a qualsiasi distanza grazie al laser pulsato che consente misurazioni con risoluzione della gamma. “

I ricercatori hanno testato il loro sistema prototipo su un campione di plastica costituito da un foglio di polietilene nella posizione superiore e da un foglio di polipropilene nella posizione inferiore. Da 6 metri di distanza, il sistema è stato in grado di acquisire gli spettri caratteristici di ciascuna plastica e produrre immagini che mostrano la distribuzione verticale della plastica. I ricercatori affermano che la dimensione dei pixel di imaging di 0,29 millimetri con la fotocamera ICCD alla distanza di 6 metri implica che piccoli detriti di plastica potrebbero essere misurati e analizzati utilizzando il sistema lidar di imaging Raman iperspettrale.

Successivamente, i ricercatori intendono utilizzare il loro sistema per monitorare le microplastiche che galleggiano o sono immerse nell’acqua. Ciò dovrebbe essere fattibile poiché la luce laser intorno a 532 nm si trasmette efficacemente attraverso l’acqua, consentendo un migliore rilevamento negli ambienti acquatici.