安光所团队突破激光外差光谱高精度大气温室气体探测瓶颈

　　【仪表网 研发快讯】近日，针对大气温室气体高精度探测需求，中国科学院安光所基础科学中心在激光外差光谱技术研究领域取得一系列重要进展，成功在仪器线型校准、实时波长校准及单边带光谱分辨率增强等关键技术上取得系列突破，显著提升了激光外差辐射计(LHR)的测量精度与光谱分辨率。三项原创性成果先后发表于《光学与激光技术》Optics　and　Laser　Technology、《光学快讯》Optics　Express及《光学快报》Optics　Letters　等国际知名期刊。
 

　　众所周知，激光外差辐射计凭借高光谱分辨率、低成本、小型化及野外部署便捷等优势，是当前大气温室气体柱浓度及垂直廓线遥感探测的常用设备，广泛应用于大气环境监测、气候变化等领域。但在实际应用中，仪器线型畸变、波长漂移与校准缺失、双边带探测固有的中心凹陷及分辨率受限等，严重制约了系统测量温室气体的精度与光谱保真度。
 

　　为破解这一难题，安光所科研团队聚焦设备核心性能优化，从校准算法、硬件系统、探测架构三个维度开展技术攻关，实现多项关键指标跨越式提升。
 

　　仪器线型是激光外差辐射计的关键参数，其精确表征直接关系到气体柱浓度及垂直廓线的反演精度。传统仪器线型定义因忽略锁相放大器影响、单模激光校准存在偏振敏感性与频率依赖性的问题，校准效果难以达到理想效果。研究团队提出基于气体吸收池与正则化反卷积算法的仪器线型校准方法(张芸，Optics　and　Laser　Technology　2026)，创新性采用放大自发辐射源模拟太阳辐射环境，通过测量低压力甲烷气体吸收池的直接吸收光谱与外差光谱，结合正则化反卷积算法精确重构系统的真实仪器线型，解决了传统校准技术的局限。验证结果表明，该技术所校准的仪器线型使吸收线翼部残差降低30%、峰值残差降低200%，最终将甲烷柱浓度反演精度提升10%。该技术有望为高精度温室气体遥感探测提供关键技术支持。
 

　　为应对野外部署中，传统激光外差辐射计缺乏有效波长校准手段的难题，研究团队研发了基于全光纤非平衡马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的实时波长校准系统(李竣，Optics　Express　2026)。通过系统优化干涉仪光程差，首次确立面向激光外差应用的最优臂长差判据，采用22cm非平衡臂设计，系统实现了0.01623cm-1的校准分辨率，在1秒平均时间下校准不确定度低至2×10-5cm-1。依托全光纤结构，设备环境适应性强、无需日常维护、可长期稳定工作，可为高精度激光外差吸收光谱探测提供稳定可靠的频率标尺，通用性强，可拓展至其他高分辨光谱技术设备。该技术的实验室气体吸收池验证及合肥科学岛外场大气CO2观测，系统成功反演得到424ppm的柱平均干空气混合比，反演误差为2%。
 

　　传统双边带激光外差光谱仪还存在固有的中心凹陷畸变问题，数据失真，且理论分辨率受双边带架构限制难以突破。针对这一硬件层面的技术限制，研究团队提出单边带激光外差光谱仪设计(李竣，Optics　Letters　2026)，从硬件层面消除双边带混叠伪影。该方案采用三通道探测构型，通过声光调制器产生不同频移的本振光，结合不同中心频率与带宽的射频带通滤波器及减法电路，实现对称边带分量的有效抑制，使仪器线型从箱形函数转变为单边带矩形函数，彻底消除中心凹陷。实验结果表明，使用了该方法后系统光谱分辨率达0.002cm-1，较传统双边带系统提升两倍。甲烷吸收光谱测量结果显示，与真实光谱吻合度极高，相关系数达99.1%，探测误差较传统双边带方法降低了64%。
 

　　以上三项技术的连续突破，有效解决了激光外差辐射计长期存在的精度、稳定性受限，光谱失真等普适性问题，全面提升了国产温室气体遥感探测设备的核心性能。这些技术的落地应用将进一步拓展激光外差光谱技术在温室气体监测、大气成分遥感及行星大气探测等领域的精准应用能力，为构建高密度、高精度的大气观测网络提供新的技术支撑。
 

　　以上系列研究的第一作者分别为张芸、李竣等，研究获国家自然科学基金青年科学基金项目、安徽省自然科学基金等资助。
 

　　引用：安光所团队突破激光外差光谱高精度大气温室气体探测瓶颈 安徽光学精密机械研究所 【引用时间：2026年6月25日】