超導單光子探測器成功應用於大氣CO2精確遙感_風聞

　　中國科學技術大學夏海雲教授領銜的激光雷達遙感團隊與中國航空工業集團公司第三〇四研究所飛秒激光精密測量團隊、上海微系統與信息技術研究所尤立星研究員牽頭的超導單光子探測器團隊合作，發明了一種單光子探測自由空間區段光譜遙感技術，實現了自由大氣中二氧化碳（CO2）和半重水（HDO，其自然丰度約為H2O的1/3200）有距離分辨率的光譜遙感分析。該研究成果以“Photon-counting Distributed Free-space Spectroscopy”為題發表在知名學術期刊Light : Science & Applications 。

　　牛頓利用三稜鏡將太陽光分解成由紅到紫連續排列的七彩光帶，開創了光譜學研究的先河。隨着光譜分析技術的發展，人們對物質成分的認識更加清晰。氣體吸收光譜包含着大量分子特徵信息（種類、濃度、壓強、温度等），被稱為分子識別的“指紋”。 

　　目前大氣氣體遙感分析技術可以分為被動式和主動式。被動式氣體遙感技術，如傅里葉紅外光譜儀、光柵光譜儀等，已廣泛應用於地基、機載和星載平台，實現廣域乃至全球範圍的氣體監測。這些方法只能獲得幾公里乃至幾百公里整個氣柱的總吸收光譜，難以直接獲得距離分辨信息。主動式遙感技術中，激光雷達因具有遠距離非接觸式探測、高時空分辨率等特點，備受關注。現有的氣體探測主動激光雷達主要包括兩種：一種是距離分辨差分吸收激光雷達，通過比較待測氣體光譜強吸收位置和弱吸收位置的激光後向散射信號強度的差異，實現有距離分辨率的氣體濃度遙感，但是數據反演時需要已知氣體光譜線型。另一種是路徑積分差分吸收激光雷達，探測遠端目標反射信號的強度來實現。當增加激光波長採樣數量時，可獲得路徑積分的平均光譜，但無法獲得距離分辨信息。 

　　研究團隊完成了經過多項核心技術攻關，實現了有距離分辨的大氣光譜分析。首先，採用光頻梳拍頻鎖定技術，實現探測激光在百納米光譜範圍內的精確波長鎖定，可實現多種氣體的同時分析。其次，不再依賴提高激光器功率和擴大望遠鏡面積，而是研製了高效率、低噪聲、大面元的超導納米線單光子探測器，提高了激光雷達探測信噪比。最後，提出實時補償技術，通過高速切換、交替發射探測激光和參考激光，實時校正大氣氣溶膠變化、湍流影響望遠鏡接收效率、出射激光功率漂移、探測器效率變化等因素。本系統採用30組探測激光和參考激光時分複用，相當於集成了30套雙波長差分吸收激光雷達。 

圖：72小時大氣CO2和HDO濃度及風場同步探測

　　通過水平掃描，該技術已實現百平方公里範圍CO2濃度遙感，為碳源碳匯的監測和核算提供新手段。通過脈衝式光纖放大器的優化，該系統可實現光通信波段中的多種氣體光譜（CO、CO2、H2O、HDO、NH3、C2H2、H2S和CH4等）的遙感分析。該技術的具體應用包括：温室氣體的監測、易燃易爆和有毒氣體的泄露預警、大氣原位化學反應和同位素監測等研究。 

來源:中國科學院上海微系統與信息技術研究所

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