【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，針對(duì)大氣溫室氣體高精度探測(cè)需求，中國(guó)科學(xué)院安光所基礎(chǔ)科學(xué)中心在激光外差光譜技術(shù)研究領(lǐng)域取得一系列重要進(jìn)展，成功在儀器線型校準(zhǔn)、實(shí)時(shí)波長(zhǎng)校準(zhǔn)及單邊帶光譜分辨率增強(qiáng)等關(guān)鍵技術(shù)上取得系列突破，顯著提升了激光外差輻射計(jì)(LHR)的測(cè)量精度與光譜分辨率。三項(xiàng)原創(chuàng)性成果先后發(fā)表于《光學(xué)與激光技術(shù)》Optics　and　Laser　Technology、《光學(xué)快訊》Optics　Express及《光學(xué)快報(bào)》Optics　Letters　等國(guó)際知名期刊。
 

　　眾所周知，激光外差輻射計(jì)憑借高光譜分辨率、低成本、小型化及野外部署便捷等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前大氣溫室氣體柱濃度及垂直廓線遙感探測(cè)的常用設(shè)備，廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣候變化等領(lǐng)域。但在實(shí)際應(yīng)用中，儀器線型畸變、波長(zhǎng)漂移與校準(zhǔn)缺失、雙邊帶探測(cè)固有的中心凹陷及分辨率受限等，嚴(yán)重制約了系統(tǒng)測(cè)量溫室氣體的精度與光譜保真度。
 

　　為破解這一難題，安光所科研團(tuán)隊(duì)聚焦設(shè)備核心性能優(yōu)化，從校準(zhǔn)算法、硬件系統(tǒng)、探測(cè)架構(gòu)三個(gè)維度開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)跨越式提升。
 

　　儀器線型是激光外差輻射計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，其精確表征直接關(guān)系到氣體柱濃度及垂直廓線的反演精度。傳統(tǒng)儀器線型定義因忽略鎖相放大器影響、單模激光校準(zhǔn)存在偏振敏感性與頻率依賴性的問(wèn)題，校準(zhǔn)效果難以達(dá)到理想效果。研究團(tuán)隊(duì)提出基于氣體吸收池與正則化反卷積算法的儀器線型校準(zhǔn)方法(張蕓，Optics　and　Laser　Technology　2026)，創(chuàng)新性采用放大自發(fā)輻射源模擬太陽(yáng)輻射環(huán)境，通過(guò)測(cè)量低壓力甲烷氣體吸收池的直接吸收光譜與外差光譜，結(jié)合正則化反卷積算法精確重構(gòu)系統(tǒng)的真實(shí)儀器線型，解決了傳統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)的局限。驗(yàn)證結(jié)果表明，該技術(shù)所校準(zhǔn)的儀器線型使吸收線翼部殘差降低30%、峰值殘差降低200%，最終將甲烷柱濃度反演精度提升10%。該技術(shù)有望為高精度溫室氣體遙感探測(cè)提供關(guān)鍵技術(shù)支持。
 

　　為應(yīng)對(duì)野外部署中，傳統(tǒng)激光外差輻射計(jì)缺乏有效波長(zhǎng)校準(zhǔn)手段的難題，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了基于全光纖非平衡馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)的實(shí)時(shí)波長(zhǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)(李竣，Optics　Express　2026)。通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化干涉儀光程差，首次確立面向激光外差應(yīng)用的最優(yōu)臂長(zhǎng)差判據(jù)，采用22cm非平衡臂設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了0.01623cm-1的校準(zhǔn)分辨率，在1秒平均時(shí)間下校準(zhǔn)不確定度低至2×10-5cm-1。依托全光纖結(jié)構(gòu)，設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、無(wú)需日常維護(hù)、可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，可為高精度激光外差吸收光譜探測(cè)提供穩(wěn)定可靠的頻率標(biāo)尺，通用性強(qiáng)，可拓展至其他高分辨光譜技術(shù)設(shè)備。該技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室氣體吸收池驗(yàn)證及合肥科學(xué)島外場(chǎng)大氣CO2觀測(cè)，系統(tǒng)成功反演得到424ppm的柱平均干空氣混合比，反演誤差為2%。
 

　　傳統(tǒng)雙邊帶激光外差光譜儀還存在固有的中心凹陷畸變問(wèn)題，數(shù)據(jù)失真，且理論分辨率受雙邊帶架構(gòu)限制難以突破。針對(duì)這一硬件層面的技術(shù)限制，研究團(tuán)隊(duì)提出單邊帶激光外差光譜儀設(shè)計(jì)(李竣，Optics　Letters　2026)，從硬件層面消除雙邊帶混疊偽影。該方案采用三通道探測(cè)構(gòu)型，通過(guò)聲光調(diào)制器產(chǎn)生不同頻移的本振光，結(jié)合不同中心頻率與帶寬的射頻帶通濾波器及減法電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)稱邊帶分量的有效抑制，使儀器線型從箱形函數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閱芜厧Ь匦魏瘮?shù)，徹底消除中心凹陷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用了該方法后系統(tǒng)光譜分辨率達(dá)0.002cm-1，較傳統(tǒng)雙邊帶系統(tǒng)提升兩倍。甲烷吸收光譜測(cè)量結(jié)果顯示，與真實(shí)光譜吻合度極高，相關(guān)系數(shù)達(dá)99.1%，探測(cè)誤差較傳統(tǒng)雙邊帶方法降低了64%。
 

　　以上三項(xiàng)技術(shù)的連續(xù)突破，有效解決了激光外差輻射計(jì)長(zhǎng)期存在的精度、穩(wěn)定性受限，光譜失真等普適性問(wèn)題，全面提升了國(guó)產(chǎn)溫室氣體遙感探測(cè)設(shè)備的核心性能。這些技術(shù)的落地應(yīng)用將進(jìn)一步拓展激光外差光譜技術(shù)在溫室氣體監(jiān)測(cè)、大氣成分遙感及行星大氣探測(cè)等領(lǐng)域的精準(zhǔn)應(yīng)用能力，為構(gòu)建高密度、高精度的大氣觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供新的技術(shù)支撐。
 

　　以上系列研究的第一作者分別為張蕓、李竣等，研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目、安徽省自然科學(xué)基金等資助。
 

　　引用：安光所團(tuán)隊(duì)突破激光外差光譜高精度大氣溫室氣體探測(cè)瓶頸 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所 【引用時(shí)間：2026年6月25日】