近日，中國科學技術大學激光雷達遙感團隊與中國航空工業(yè)集團公司第三〇四研究所飛秒激光精密測量團隊、中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所超導單光子探測器團隊合作，發(fā)明了一種單光子探測自由空間區(qū)段光譜遙感技術，實現(xiàn)了自由大氣中二氧化碳（CO2）和半重水（HDO，其自然豐度約為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(fā)表在Light : Science & Applications上。 
　　牛頓利用三棱鏡將太陽光分解成由紅到紫連續(xù)排列的七彩光帶，開創(chuàng)了光譜學研究的先河。隨著光譜分析技術的發(fā)展，人們對物質成分的認識更加清晰。氣體吸收光譜包含著大量分子特征信息（種類、濃度、壓強、溫度等），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，已廣泛應用于地基、機載和星載平臺，實現(xiàn)廣域乃至全球范圍的氣體監(jiān)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?，F(xiàn)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后向散射信號強度的差異，實現(xiàn)有距離分辨率的氣體濃度遙感，但是數(shù)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，通過探測遠端目標反射信號的強度來實現(xiàn)，當增加激光波長采樣數(shù)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。 
　　研究團隊經過多項核心技術攻關，實現(xiàn)了有距離分辨的大氣光譜分析。研究人員采用光頻梳拍頻鎖定技術，實現(xiàn)探測激光在百納米光譜范圍內的精確波長鎖定，可實現(xiàn)多種氣體的同時分析；不再依賴提高激光器功率和擴大望遠鏡面積，而是研制了高效率、低噪聲、大面元的超導納米線單光子探測器，提高激光雷達探測信噪比；提出實時補償技術，通過高速切換、交替發(fā)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。該系統(tǒng)采用30組探測激光和參考激光時分復用，相當于集成了30套雙波長差分吸收激光雷達。 
　　通過水平掃描，該技術已實現(xiàn)百平方公里范圍CO2濃度遙感，為碳源碳匯的監(jiān)測和核算提供新手段。通過脈沖式光纖放大器的優(yōu)化，該系統(tǒng)可實現(xiàn)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。該技術可應用于溫室氣體的監(jiān)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(jiān)測等研究。
　　論文鏈接 
　　72小時大氣CO2和HDO濃度及風場同步探測