摘要

监测不同物种的昆虫以了解影响其多样性和衰退的因素是一项重大挑战。激光遥感和光谱学为这一问题提供了有前景的新解决方案。薄翼膜的相干散射也被称为机翼干涉图（WIPs），最近已被证明是物种特异性的。WIPs的颜色是由于独特的边缘光谱而产生的，这些光谱可以在长距离内检索到。为了证明这一点，开发了一种新概念的红外（950–1650 nm）高光谱激光雷达，该激光雷达基于使用射线追踪和3D打印的超连续谱光源，具有64个光谱带。一种激光雷达，具有前所未有的光谱通道数量、高信噪比和时空分辨率，能够检测自由飞行的昆虫及其翅膀。作为原理的证明，在没有平均（4ms记录）的情况下，从87米距离的豆娘翅膀上获得了相干散射。边缘信号特性用于确定1412 nm的有效机翼膜厚度，精度为±4 nm，与同一机翼的实验室记录相匹配。稍后记录来自自由飞行昆虫的类似信号（2ms记录）。讨论了通过捕捉自由飞行昆虫的连贯特征来区分物种的准确性和该方法的潜力。

将光谱学添加到激光雷达中可以检索远距离的微小特征；例如原子[22]或分子中的电子壳层之间的皮米间距。[23]通过测量等效吸水路径长度[24]或去极化率，可以从非相干散射中推断出蚊子腹部的雪粒大小或卵等微米特征。[20] 昆虫有两个或四个翅膀，它们构成薄膜[25，26]，根据薄膜的厚度，翅膀可以对特定波长表现出共振后向散射。这些机翼干涉图（WIPs）已被认为对配偶选择很重要。[27，28]预计这种择偶信号具有高度的物种特异性。[29]机翼的光谱条纹可以在整个机翼的空间积分过程中保留下来，从而产生整个机翼的边缘光谱。[30]在每次翼拍过程中，两个或四个机翼表面法线会访问大部分半球，当机翼表面法线与源探测器中点重合时，会出现相干闪光。这种微秒级的例子代表了昆虫翅膀方向已知的罕见情况之一，可以对面积、厚度和反射率进行准确评估。在之前的一项研究中，两种亲缘关系密切的蚊子可以通过这种闪光色度来区分，[19]尽管在显微镜下无法通过形态学来区分这两种蚊子。此前，偏振激光雷达[28]和双频激光雷达已经远程获取了机翼闪光。[31]这些研究都回避了相干散射的存在，但到目前为止，还没有远程仪器能够捕捉到这种闪光，通过光谱解析它们，并唯一地确定机翼厚度。

1简介

昆虫的数量和多样性都在以惊人的速度下降。[1-4]昆虫的这种损失对它们提供的生态系统服务构成了重大威胁，包括作物授粉。[5] 主要原因已被确定为栖息地的丧失和杀虫剂的使用。[6] 传统的昆虫盘点是通过诱捕完成的[1，7]，随后的分析既耗时又昂贵。为了加快这一进程，昆虫监测需要创新的方法。机器视觉已应用于野外，[8]用于陷阱，[9]和陷阱捕获分析。[10] 还报道了分布式传感器接收昆虫的翅膀拍打振荡。[11，12]自由飞行的昆虫在时间和空间上稀少，[13]这一事实意味着，当探针体积延长数百米并被激光束照射时，昆虫监测变得特别有效。[14，15]因此，与高光谱推扫成像[16]相反，每天只使用几瓦的光就可以观察到大量的昆虫，其中每个像素足迹之间分配数百瓦的照明。高光谱激光雷达只需几瓦的照明就可以实现，因为相同的激光从一个像素足迹循环到下一个像素，直到它拦截昆虫或样带的末端。然而，宽范围的检测距离和自由飞行昆虫的快速运动导致了空间域成像中的焦点挑战和运动模糊。或者，昆虫可以通过其不受光学散焦影响的拍频和泛音光谱[17，18]在频域中进行分类。翅膀跳动的频率范围从10到1000赫兹不等，但在单个物种和性别内的相对频率分布通常约为20-40%宽[19]，并取决于温度[15]和体重变化[20，21]（例如，年龄、生殖阶段或花粉有效载荷）。特别是，100–200 Hz区域挤满了物种，仅频域不太可能区分单个栖息地中的数千个物种。