二氧化碳激光器原理

新华网合肥12月23日消息 记者从中科院合肥物质研究院了解到，中科院安徽光学精密机械研究所承担的中科院重点装备“二氧化碳拉曼激光雷达”日前研制成功，并顺利通过了中科院相关专家组验收。 　　中科院合肥物质研究院研究员胡顺星介绍，“二氧化碳拉曼激光雷达系统”是我国第一台具有自主知识产权的全方位探测大气温室气体二氧化碳时空分布的激光雷达系统。该系统探测范围水平方向大于2km，垂直方向大于3km，探测精度1km范围内测量误差小于1%，3km范围内测量误差小于3%。这套系统在国际同类研究中处于领先水平。 　　验收专家组对激光雷达系统进行了现场测试，测试显示系统各项指标均符合或部分超过实施方案的设计指标。它的研制成功填补了我国大气二氧化碳空间分布探测技术的空白。二氧化碳拉曼激光雷达可以用于大气二氧化碳垂直分布的探测，大面积的近地面大气二氧化碳水平分布，用于二氧化碳排放源的监测等研究。目前，该二氧化碳拉曼激光雷达系统已经投入合肥地区大气二氧化碳垂直分布的常规测量。 　　近几十年来，人类活动导致大气中温室气体和污染气体的浓度急剧增加，对全球气候的改变产生重要影响。二氧化碳是气候变化预测中非常重要的大气温室气体，但人们对它的了解远远不够。目前国际上二氧化碳垂直分布探测的方法非常少，至今，我国还没有二氧化碳空间分布的数据。 　　专家介绍说，我国政府积极应对全球气候变化，加强工业二氧化碳减排的计划和工作，还把“监测气候变化的过程和要素”等气候变化监测预测预警作为应对气候变化专项行动的重点任务之一。政府部门计划在“十二五”期间开展有关碳收支和碳循环的研究，离不开对二氧化碳空间分布的精确探测。

4月16日2时16分，长征四号丙运载火箭在太原卫星发射中心升空，将世界首颗具备二氧化碳激光探测能力的卫星——大气环境监测卫星送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。星箭均由中国航天科技集团有限公司八院抓总研制。，时长00:30摄影：郑逃逃大气环境监测卫星是《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015-2025年）》中的科研卫星，运行705公里的太阳同步轨道，整星发射重量约2.6吨，装载了大气探测激光雷达、高精度偏振扫描仪、多角度偏振成像仪、紫外高光谱大气成分探测仪及宽幅成像光谱仪等五台遥感仪器，是一颗集CO2激光主动探测、细颗粒物立体探测、气态污染物探测和地表环境探测的多要素综合监测卫星。长征四号丙运载火箭发射升空。吴敬博 摄大气环境监测卫星的成功发射和在轨应用标志着我国在大气遥感领域达到国际领先水平，卫星在轨应用后将实现对生态环境、气象和农业等多领域定量遥感服务能力的跨越式提升，为我国实现减污降碳协同增效、建设美丽中国的目标提供有力支撑。首次搭载大气探测激光雷达大气环境监测卫星在CO2探测手段和精度、细颗粒物主被动探测和偏振交火探测体制上，创造了三个世界第一。二氧化碳探测，激光雷达出奇效。大气环境监测卫星实现国际上首次搭载大气探测激光雷达这一主动探测载荷，实现主动激光CO2高精度、全天时、全球探测，探测精度大幅提升至优于1ppm，达到国际最高水平，为我国实现“碳达峰、碳中和”目标提供最精准的遥感数据支撑。同时，大气探测激光雷达通过对大气进行分层“CT”扫描，国内首次实现全球气溶胶光学厚度、形状和尺寸等垂直分布信息的获取。PM2.5监测，综合手段创新高。大气环境监测卫星国际上首次采用了主被动结合、多手段综合的探测体制，通过装载不同类型、不同原理的载荷，将主动发射激光接收的回波信号和被动接收的太阳光反射信号相结合，综合反演多种遥感数据，实现对近地面细颗粒物（PM2.5等）浓度的高精度监测，为大气污染精准防治提供科学数据支撑。中国航天科技集团八院供图偏振交火，信息融合效率高。大气环境监测卫星国际首次采用融合反演级偏振交火探测技术，获取气溶胶光学厚度、粒子尺度等多种参数，通过空间、辐射和偏振维度的信息融合，大幅提升细颗粒物探测精度，达到国际先进水平。此外，紫外高光谱大气成分探测仪及宽幅成像光谱仪也将大幅提升气态污染物以及地表环境监测能力，紫外谱段高光谱大气观测以及宽幅多光谱观测空间分辨率提升一倍。首次创新应用无控制点激光光轴自标定技术大气环境监测卫星每天可绕地球飞14轨，激光雷达不分白天黑夜全天时工作，可谓是一个兢兢业业的“劳模”。除了敬业之外，它还是一个十足的“强迫症”，时刻不忘摆正自己的姿态，以保证极高的指向测量精度，为此还在国内首次创新应用了无控制点激光光轴自标定技术。 中国航天科技集团八院供图这一“神技”顺利施展的前提是要有一把能够实时提供绝对姿态信息的“标尺”，也就是“司机”的“眼睛”——星敏感器。激光雷达自身发射的光源分束后经星敏感器支架上的棱镜反射，建立起激光雷达与星敏感器的在轨标校系统，这样激光雷达就可以借助星敏感器这双“慧眼”实时明确自己“身在何方”。据中国航天科技集团八院控制所卫星姿轨控分系统副主任设计师孙尚介绍，为提供高精度在轨三轴惯性测量精度，姿轨控分系统采用了高精度多头星敏感器。“好比用‘三只眼睛’同时定位，利用一个‘大脑’融合处理出更高精度的姿态测量数据。”据悉，“十四五”期间我国还将发射高精度温室气体综合探测卫星，与大气环境监测卫星组网观测，进一步提升我国天基碳监测能力和水平，为我国生态文明建设，实现“双碳”目标贡献航天力量。

（1）国家标准 《温室气体 二氧化碳测量 离轴积分腔输出光谱法》（GB/T 34286-2017）由气象部门提出，规定了使用离轴积分腔输出光谱法测量环境大气温室气体二氧化碳浓度的方法，适用于开展温室气体二氧化碳浓度的测量，在非污染大气下，其测量精度应小于0.1×10-6mol/mol。 《气相色谱法本底大气二氧化碳和甲烷浓度在线观测方法》（GB/T 31705-2015）由气象部门提出，规定了本底大气二氧化碳浓度气相色谱在线观测方法。 《气体中一氧化碳、二氧化碳和碳氢化合物的测定 气相色谱法》（GB/T 8984-2008）由中国石油和化学工业协会提出，规定了气体中二氧化碳的气相色谱测定方法，适用于氢、氧、氦、氖、氩、氪和氙等气体中一氧化碳、二氧化碳和甲烷的分项测定，以及一氧化碳、二氧化碳和碳氢化合物的总量（总碳）测定。 《固定污染源排气汇总颗粒物测定与气态污染物采样方法》（GB/T 16157-1996）由环境保护部门提出，规定了使用奥氏气体分析仪法测定固定污染源排气中二氧化碳的方法，其原理为用不同的吸收液分别对排气中的二氧化碳进行吸收，根据吸收前、后排气体积的变化，计算出该成分在排气中所占的体积分数。（2）行业标准 《温室气体 二氧化碳和甲烷观测规范 离轴积分腔输出光谱法》（QX/T 429-2018）是气象行业标准，除规定了利用离轴积分腔输出光谱法观测二氧化碳方法外，还对观测系统、安装要求、检漏与测试要求、运行和维护要求、溯源及数据处理要求等做了规定，适用于温室气体二氧化碳离轴积分腔输出光谱法的在线观测和资料处理分析。 《固定污染源废气 二氧化碳的测定 非分散红外吸收法》（HJ 870-2017）是国家环境保护标准，规定了测定固定污染源废气中二氧化碳的非分散红外吸收法，适用于固定污染源废气中二氧化碳的测定，方法检出限为0.03%（0.6g/m3），测定下限为0.12%（2.4g/m3）。 《环境空气 无机有害气体的应急监测 便携式傅里叶红外仪法》（HJ 920-2017）是国家环境保护标准，规定了测定环境空气中无机有害气体的便携式傅里叶红外仪法，为定性半定量方法，适用于环境空气中二氧化碳的现场应急监测，以及筛选、普查等先期调查工作，方法检出限1mg/m3，测定下限4mg/m3。 《沼气中甲烷和二氧化碳的测定 气相色谱法》（NY/T 1700-2009）是农业行业标准，规定了沼气中二氧化碳的气相色谱实验方法，适用于沼气中二氧化碳的测定。 《本底大气二氧化碳浓度瓶采样测定方法-非色散红外法》（QX/T 67-2007）是气象行业标准，规定了本底大气中二氧化碳浓度的非色散红外测定方法，适用于本底大气瓶采样样品二氧化碳浓度的测定。 《工作场所空气有毒物质测定 第37部分 一氧化碳和二氧化碳》（GBZ/T 300.37-2017）为国家职业卫生标准，规定了工作场所空气中二氧化碳的不分光红外线气体分析仪法，适用于工作场所空气中二氧化碳浓度的检测，方法检出限为0.001%。 综上，我国气象、生态环境、农业、职业卫生及石化工业等部门均提出了二氧化碳测量方法标准，涉及到的方法原理有离轴积分腔输出光谱法、非分散（不分光、非色散）红外光谱法、傅里叶红外光谱法、气相色谱法及奥氏气体分析仪法等。这些方法根据原理、采样方式、样品基质及特性不同，适用于各类应用场景。 其中农业、职业卫生及石化工业的二氧化碳测量方法主要是为了解决产品组分、职业防护等特定领域问题，从温室气体测量角度出发，在环境大气方面，气象部门提出了较为完善的测量方法体系，以离轴积分腔输出光谱法（GB/T 34286-2017和QX/T 429-2018）和气相色谱法（GB/T 31705-2015）为主，生态环境部门提出的便携式傅里叶红外仪法（HJ920-2017）仅适用于应急监测；在污染源废气方面，生态环境部门提出了非分散红外法（HJ870-2017），而奥氏气体分析仪法（GB/T 16157-1996），由于测试精度以及现场工作便利性的原因，在实际工作中应用不多。 在温室气体（二氧化碳）测量领域，与环境大气二氧化碳测量方法体系相比，污染源废气仅有一个手工测量方法，无在线监测技术规范，而“碳源监测”是实现碳中和的重要保障。国际上对于温室气体排放测算有“排放因子法”与“直接测量法”两种方法，直接测量法在精确度上优势较为明显，也是排放因子法中“排放因子”的基础来源。下一步，可以现有方法标准为依托，进一步优化完善方法体系，构建二氧化碳以及其他温室气体源、汇观测网络，为碳达峰、碳中和提供有效测量支撑与保障。