红外差谱法

近日，中科院合肥研究院安徽光机所高晓明研究员团队在激光外差光谱应用于风场探测方面取得新进展，相关研究成果以《基于氧气矫正的高分辨率激光外差辐射计(LHR)用于平流层和对流层风场探测的研究》为题发表于美国光学学会(OSA)学术期刊Optics Express。激光外差辐射计(LHR)具有高光谱分辨率的特点，可以有效地探测到由风场引起的微小多普勒频移，频移结合大气透过率谱，通过光谱反演得到沿视线方向水平风的垂直廓线和大气柱浓度等信息。团队谈图副研究员和李竣博士生设计了基于氧气矫正的近红外激光外差光谱仪，同时测量大气O2和CO2透过率谱，基于受约束的内尔德-米德（Nelder-Mead’s）单纯形法，利用大气O2透过谱来校正大气温度和压力分布，并结合最优估算法反演得到了精度为∼±2.5 m/s的大气风场垂直剖面，研究结果表明，氧气校正激光外差辐射计作为便携式和小型化测量仪器在风场探测中具有广阔的应用潜力。本研究工作得到国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、所长特别预研基金等项目的资助。双通道近红外激光外差辐射计示意图图(a)为测量的大气透射光谱；图(b)为先验风廓线(蓝色曲线)和反演的风廓线(红色虚线)

近期，中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所副研究员许振宇团队在激光外差光谱技术研究中获进展。相关研究成果发表在《光学通信》（Optics Letters）上。激光外差光谱仪因具有高光谱分辨率、体积小、易集成等优点，已经逐渐发展成为与地基傅里叶变换光谱仪互补的温室气体柱浓度与廓线测量工具。激光外差光谱技术因受限于光学天线理论，无法通过增加光学接收口径的方法提高外差信号信噪比，这导致高分辨率激光外差探测中气体廓线测量精度受限。对此，研究人员提出基于半导体光放大技术的微弱太阳光放大方法，解决了高分辨率激光外差探测中光学天线理论限制的外差信号信噪比提高问题。研究结果表明，相比于传统的高分辨率激光外差光谱仪，所研发的基于半导体光放大的高分辨率激光外差光谱仪的弱光信号探测和气体浓度测量精度得到大幅提升。该研究有助于提高高分辨率激光外差光谱仪的性能，在大气温室气体传感等方面具有巨大应用潜力。相关研究工作获得国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。基于半导体光放大技术的激光外差光谱仪实验装置示意图信号对比测量结果

大气温室气体是导致全球平均气温和海温升高、大范围雪和冰融化、以及海平面上升等全球气候变化的重要因素，特别是二氧化碳的排放是当今世界最为关注的地球大气环境问题。实现对全球大气温室气体(尤其是二氧化碳)的高精度探测，对我国制定相关气候应对措施具有深远影响，将为我国的环境外交政策提供强有力的技术支撑和保障。基于目前科学技术水平，准确把握二氧化碳的全球变化，是目前空间遥感探测的热点和难点，需要充分依靠高灵敏度和高光谱分辨率的遥感探测技术。 　　由我所承担的院空间科技创新基地重要方向项目“超光谱环境遥感监测关键技术研究”经过近2年攻关，研制成功基于空间外差光谱技术(SHS — Spatial Heterodyne Spectroscopy)的大气主要温室气体二氧化碳航空遥感探测试验样机。该技术目前已被列入高光谱观测卫星与环境减灾小卫星的温室气体探测计划。 　　日前，在山东日照进行的机载试验受到中国海监北海支队的大力支持，机载试验样机装载于中国海监Y-12飞机，实现一次装机，一次校飞获取信息。试验共飞行两架次，约9个半小时，两个飞行高度(500m、1000m)，飞行区域为山东日照市区及附近郊区，选择了农田、工业区、海岸滩涂等典型地表区域，获取了大量数据。预处理结果表明了试验样机完全到达了设计指标，即在大气二氧化碳最主要的吸收波段1575nm范围中，得到光谱分辨率为0.1nm的实际大气二氧化碳吸收光谱，与理论计算对比一致。这些遥感数据将成为反演大气环境中二氧化碳柱浓度不可替代的和最直接的依据。下图为二氧化碳机载试验样机、机载试验状况及大气二氧化碳超光谱曲线。 　　空间外差光谱技术是近年发展起来的一种新型超光谱遥感探测技术，与传统的傅立叶干涉系统(如日本的GOSAT)和衍射光栅系统(如欧洲的ENVISAT、美国的OCO)高分辨光谱遥感技术相比，空间外差光谱技术更具有针对性，该技术综合了衍射及空间调制干涉技术于一体，在限定的光谱范围内可达到很高的光谱分辨率和信噪比，且具有结构紧凑、无运动部件等特点，因而成为高精度大气成分遥感探测的优选技术之一。 　　安徽光机所是国内最早开展空间外差光谱技术实验研究的单位之一，先后获得了国家自然基金、863项目、院创新基金的支持。2008年在院重要方向项目支持下，集中攻克了空间外差一体化干涉仪核心技术，解决了大气温室气体空间外差光谱遥感系统设计及定标(辐射、光谱以及吸收池)等关键技术，针对二氧化碳、甲烷以及一氧化碳等大气温室气体的探测研制了机载遥感试验样机和干涉仪组件。 　　本次校飞试验结果表明，历时两年自主研发的二氧化碳空间外差光谱仪系统指标先进、性能稳定。本次校飞试验，不仅在国内首次获得了高分辨率大气二氧化碳飞行数据，同时验证了该系统在移动平台下获取高质量大气二氧化碳超分辨光谱的能力，为发展包括大气温室气体、气溶胶、污染气体等国家机载大气环境遥感监测系统，以及发展我国大气温室气体星载遥感系统奠定了坚实基础。