基于差分吸收激光雷達(dá)有毒有害氣體遙測(cè)進(jìn)展

梁曉峰，楊澤后，王順艷，陳 涌*，陳春利，李曉鋒，李 晶，周鼎富

(1.海軍裝備部，成都 610100；2.西南技術(shù)物理研究所，成都 610041；3.北京理工大學(xué) 物理學(xué)院，北京 100081)

引 言

大氣中有毒有害氣體主要產(chǎn)生于能源、化工、冶金、紡織、制藥、垃圾焚燒的排放，以及出于某種目的而人為制造或意外產(chǎn)生的。大氣中有毒有害氣體由有毒化學(xué)及生物氣溶膠氣體，及可燃性氣體等構(gòu)成，主要分布于近地面，具有分布廣、受環(huán)境因素影響大等特點(diǎn)，對(duì)人類生產(chǎn)活動(dòng)及生活質(zhì)量等造成較大的影響。其伴隨人類文明進(jìn)步而產(chǎn)生，長(zhǎng)期存在，并隨著某些國(guó)家、地區(qū)及團(tuán)體利益的變化而加劇，成為世界各國(guó)面臨的一個(gè)大問(wèn)題。有毒有害氣體能使人、動(dòng)物、植物致病或死亡，若被恐怖分子掌握，一旦在空氣中傳播開(kāi)來(lái)，很可能造成社會(huì)的恐慌。因此，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)手段，建立對(duì)這類物質(zhì)的遠(yuǎn)/近程、地/空/天多層次立體監(jiān)測(cè)，具有重要現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。

作為一種主動(dòng)遙感技術(shù)和工具，激光雷達(dá)在遙感探測(cè)的高度、空間分辨率、時(shí)間上連續(xù)監(jiān)測(cè)和測(cè)量精度上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其在大氣探測(cè)方面取得了卓越的發(fā)展。目前，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)的激光雷達(dá)技術(shù)主要包括后向散射雷達(dá)(Mie雷達(dá))、差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)(differential absorption lidar，DIAL)[4]、喇曼光譜技術(shù)、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收技術(shù)(tune diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)、激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(laser induced fluorescence，LIF)等。其中，DIAL因具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)，可用于大范圍大氣有毒有害氣體的遙感監(jiān)測(cè)[5-6]，成為近年來(lái)激光遙測(cè)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。

本文中分析了差分吸收激光雷達(dá)大氣探測(cè)原理，介紹了該技術(shù)的最新發(fā)展成果及應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了未來(lái)差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)用于大氣有毒有害氣體探測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)及研究方向。

1 基本原理

差分吸收激光雷達(dá)利用氣體的特征吸收譜來(lái)對(duì)大氣有毒有害氣體進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)。絕大多數(shù)的有毒有害氣體，在5μm～12μm的紅外波段都具有非常典型的吸收譜帶(見(jiàn)圖1[7])。差分吸收激光雷達(dá)工作時(shí)，將激光器的激光輸出調(diào)諧到這些波段，通過(guò)測(cè)量氣體對(duì)某些波長(zhǎng)激光的吸收強(qiáng)度，來(lái)識(shí)別所測(cè)量的氣體的種類、濃度、分布等特征。如圖2所示[8]，差分吸收激光雷達(dá)采用多臺(tái)激光器或一臺(tái)可調(diào)諧激光器同時(shí)或在一定時(shí)間間隔內(nèi)(大氣“凍結(jié)”時(shí)間內(nèi)，毫秒量級(jí))沿同一路徑發(fā)出至少兩種特定波長(zhǎng)的光束，其中一個(gè)波長(zhǎng)稱為共振波長(zhǎng)λon， 其波長(zhǎng)位于待測(cè)氣體的吸收譜帶內(nèi)相鄰的特征吸收峰位置(吸收截面為σon)；而另一波長(zhǎng)稱為非共振波長(zhǎng)λoff，其波長(zhǎng)在待測(cè)氣體吸收譜帶之外的吸收谷位置(吸收截面σoff)。待測(cè)氣體濃度由激光雷達(dá)方程可得，如下式所示[9]：

(1)

圖1 典型有毒有害氣體的吸收譜

圖2 差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)的基本原理示意圖

式中，Pon(λon,R),Poff(λoff,R)分別是發(fā)射波長(zhǎng)為λon,λoff激光所測(cè)得的歸一化功率;R是探測(cè)待測(cè)氣體的體積單元所對(duì)應(yīng)距離;ΔR為距離分辨率;βon(λon,R),βoff(λoff,R)分別為發(fā)射波長(zhǎng)為λon,λoff激光引起的大氣后向散射系數(shù);κ(λon,R),κ(λoff,R)分別為發(fā)射波長(zhǎng)λon,λoff激光穿過(guò)氣溶膠引起的消光系數(shù)。由于多個(gè)激光束幾乎是沿同一傳輸路徑傳輸、吸收、散射、反射，并有同一探測(cè)接收系統(tǒng)采集。因此，采用差分吸收激光技術(shù)從理論上可消除大氣中其它氣體分子和氣溶膠的衰減、大氣儀器參量以及大氣條件局部變化而所引起的背景干擾及激光雷達(dá)系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差對(duì)探測(cè)精度的影響，通常可以認(rèn)為B和C取為0。

差分吸收激光雷達(dá)從工作波段可分為基于非倍頻和倍頻的技術(shù)方式，從探測(cè)方式上可分為相干探測(cè)方式和直接探測(cè)方式，從工作方式上可分為距離分辨差分吸收激光雷達(dá)(range resolved DIAL，RR DIAL)和長(zhǎng)程差分吸收激光雷達(dá)(concentration-path length DIAL，CL DIAL)，其原理如圖3所示[9]。

圖3 DIAL兩種模式工作原理圖

采用RR模式差分吸收激光雷達(dá)探測(cè)到物質(zhì)在各個(gè)距離位置的濃度值經(jīng)過(guò)理想簡(jiǎn)化后如下式所示:

(2)

式中,Pon,off(R)代表共振吸收波長(zhǎng)為λon、非共振吸收波長(zhǎng)λoff的激光從距離R處收到回波功率P(λon,R)和P(λoff,R)，Pon,off(R+ΔR)代表波長(zhǎng)λon、波長(zhǎng)λoff激光從距離R+ΔR處收到回波功率P(λon,R+ΔR)和P(λoff,R+ΔR)，σon和σoff是對(duì)應(yīng)的待測(cè)氣體吸收截面(σoff相對(duì)較小)，R是探測(cè)待測(cè)氣體的體積單元所對(duì)應(yīng)距離，ΔR是距離分辨率[10]。采用該種模式工作時(shí)無(wú)法直接獲得物質(zhì)的距離信息，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，單元技術(shù)成熟，并且無(wú)需地物目標(biāo)配合，直接對(duì)氣溶膠云團(tuán)進(jìn)行測(cè)量。其測(cè)量結(jié)果直接為物質(zhì)在各個(gè)距離位置的濃度值，可獲得物質(zhì)的3維濃度影像信息，實(shí)現(xiàn)距離分辨，但是該方法對(duì)激光器及探測(cè)系統(tǒng)要求較高。

采用CL模式差分吸收激光雷達(dá)探測(cè)氣體濃度經(jīng)過(guò)變換和簡(jiǎn)化后如下式所示[11]:

(3)

式中,Pon和Poff分別為接收到共振吸收波長(zhǎng)λon、非共振吸收波長(zhǎng)λoff激光經(jīng)過(guò)氣溶膠云團(tuán)發(fā)射地物目標(biāo)的歸一化回波功率，αon和αoff是對(duì)應(yīng)的待測(cè)氣體吸收系數(shù)(αoff相對(duì)較小)，L為穿過(guò)氣溶膠云團(tuán)的光路的長(zhǎng)度[12]。該模式差分吸收激光雷達(dá)主要特點(diǎn)是作用距離遠(yuǎn)，可到數(shù)十千米甚至更遠(yuǎn)，是機(jī)載及星載差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)的首選方案，該模式需地物配合目標(biāo)，適合地基及空中對(duì)近地面有毒有害氣體測(cè)量。

2 技術(shù)進(jìn)展

絕大多數(shù)大氣有毒有害氣體的特征吸收峰主要位于中、長(zhǎng)紅外波段(2μm～14μm)，該波段為有毒有害氣體遙測(cè)的主要工作波段。二氧化碳(CO2)激光器在早期的有毒有害氣體激光遙測(cè)領(lǐng)域，幾乎是唯一可選的光源。但是，CO2激光器可調(diào)諧性僅限于9.2μm～10.7μm波段中固定數(shù)量的譜線，降低了識(shí)別更多有毒有害氣體的潛力[13]。近年來(lái)，隨著光學(xué)參量振蕩(optical parametric oscillation，OPO)固體激光器、量子級(jí)聯(lián)激光器(quantum cascade laser，QCL)、光纖激光器的發(fā)展，逐步應(yīng)用到DIAL系統(tǒng)中，推動(dòng)了差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展。圖4中對(duì)各種中紅外光源進(jìn)行了比較[14]。表1中對(duì)激光器技術(shù)在DIAL應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。CO2,CO等氣體激光器技術(shù)成熟、能量大，但調(diào)諧范圍窄、體積大；差頻產(chǎn)生(difference frequency generation，DFG)或OPO產(chǎn)生的波長(zhǎng)覆蓋范圍較寬，但調(diào)諧速度慢，是未來(lái)遠(yuǎn)程遙測(cè)光源的一個(gè)重要方向；中長(zhǎng)波QCL半導(dǎo)體激光器窄線寬、高重頻、體積小，但能量低，是中近程及小型化裝備的重要光源。

圖4 近紅外和中紅外各相干源波長(zhǎng)覆蓋率的比較示意圖

表1 激光器技術(shù)在DIAL應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)比較[13]

2.1 CO2 DIAL有毒有害氣體遙測(cè)系統(tǒng)發(fā)展

20世紀(jì)50年代，美國(guó)首先提出差分吸收化學(xué)氣體遠(yuǎn)程報(bào)警雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)想。1965年，美國(guó)Edgewood 研究發(fā)展工程中心發(fā)表了幾種主要化學(xué)有毒有害氣相的定量光譜，有些數(shù)據(jù)一直沿用至今。由于絕大多數(shù)的化學(xué)有毒有害氣體都只在長(zhǎng)波紅外波段有特征光譜，與CO2激光器的工作頻段恰好重合。因此，傳統(tǒng)DIAL系統(tǒng)大多采用CO2激光器作為光源，可分為采用兩臺(tái)或多臺(tái)非倍頻的CO2激光器的DIAL系統(tǒng)和采用單臺(tái)非倍頻的CO2激光器的DIAL系統(tǒng)。圖5為一個(gè)簡(jiǎn)單、緊湊型CO2DIAL系統(tǒng)原理示意圖。該系統(tǒng)由一個(gè)小型橫向激勵(lì)高氣壓(transversely excited atmospheric，TEA)CO2激光器作為發(fā)射機(jī)和一個(gè)商用牛頓望遠(yuǎn)鏡和碲鎘汞(HgCdTe)紅外光電二極管組成的接收設(shè)備，接收信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)處理，完成對(duì)大氣氣體的遙測(cè)[15]。

圖5 CO2 DIAL系統(tǒng)原理示意圖

鑒于CO2DIAL系統(tǒng)優(yōu)越性和廣泛的應(yīng)用前景，20世紀(jì)70年代開(kāi)始成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。20世紀(jì)90年代，CO2DIAL系統(tǒng)逐漸成熟，部分開(kāi)始裝備應(yīng)用。典型應(yīng)用如：美國(guó)的野貓化學(xué)偵察車，俄羅斯型號(hào)為KDKhR-1N的化學(xué)偵查裝甲車系統(tǒng)多功能激光雷達(dá)偵察車(multi wave mobile lidar complex,MLC)，斯洛伐克的型號(hào)為Falcon 4GS的DD-CW-A/S化學(xué)偵測(cè)儀器[6]。國(guó)外典型遠(yuǎn)程遙測(cè)差分吸收激光雷達(dá)產(chǎn)品情況見(jiàn)表2。

表2 國(guó)外典型CO2 DIAL產(chǎn)品

1997年～2001年，由Raytheon電子系統(tǒng)公司、美國(guó)Edgewood研究發(fā)展工程中心和美國(guó)陸軍夜視與電子傳感器董事會(huì)等單位聯(lián)合研制了美國(guó)的“野貓”化學(xué)探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的目標(biāo)是對(duì)約20km～40km量級(jí)的遠(yuǎn)程化學(xué)有毒有害氣體進(jìn)行探測(cè)與識(shí)別(CL模式)，并能在5km范圍進(jìn)行距離分辨(RR模式)。該探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)射器為一臺(tái)波長(zhǎng)可調(diào)諧TEA CO2激光器，在100Hz時(shí)所有4個(gè)譜區(qū)支線均能輸出1J/脈沖以上激光脈沖(100ns)，激光波長(zhǎng)范圍為9.3μm～10.7μm。系統(tǒng)可通過(guò)對(duì)TEA CO2激光倍頻技術(shù)(約350mJ)及OPO(約30mJ)，來(lái)探測(cè)吸收特性位于普通激光發(fā)射波段之外的化學(xué)有毒有害氣體。系統(tǒng)接收天線為直徑為60cm的Cassegrain天線。探測(cè)器采用兩元的HgCdTe探測(cè)器。掃描單元位于系統(tǒng)頂部，可升降。系統(tǒng)在工作時(shí)露出，進(jìn)行半球空間掃描，采用兩通道12位高速模數(shù)采集，采樣速度30MHz，并且進(jìn)行了算法優(yōu)化，以保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。

俄羅斯激光系統(tǒng)公司2000年左右研制出MLC多功能激光雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)為大型車載式結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)全方位空域的掃描(見(jiàn)圖6[16])。系統(tǒng)采用外差探測(cè)方式，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程距離分辨，其最大作用距離達(dá)到15km，距離分辨時(shí)能達(dá)到5km。系統(tǒng)還采用了3個(gè)波長(zhǎng)測(cè)量通道(0.53μm,1.06μm,10.6μm)，能實(shí)現(xiàn)多種化學(xué)物質(zhì)及生物物質(zhì)的偵測(cè)，并同時(shí)能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)的遠(yuǎn)程測(cè)量[16]。

圖6 移動(dòng)式地基激光雷達(dá)復(fù)合系統(tǒng)

2003年左右，斯洛伐克Wingling公司研制出第1代小型化有毒有害氣體遙測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用兩臺(tái)可調(diào)諧TEA CO2激光器作為光源，總譜線數(shù)大于60條，采用長(zhǎng)程差分吸收(DIAL)工作方式，探測(cè)距離3km，可探測(cè)多種有毒有害氣體及污染物種類數(shù)。該雷達(dá)系統(tǒng)外形尺寸為458mm×260mm×395mm，重量為38kg，是當(dāng)時(shí)最小的差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)品 (見(jiàn)圖7[17])。2004年底，系統(tǒng)正式裝備斯洛伐克防化部隊(duì)。2015年左右原公司歸入現(xiàn)在的SEC科技公司，系統(tǒng)升級(jí)到了第4代(“獵鷹”Falcon系統(tǒng))，具有對(duì)30多種戰(zhàn)爭(zhēng)有毒有害氣體及工業(yè)污染氣體的遠(yuǎn)程遙測(cè)能力。系統(tǒng)核心模塊重量?jī)H約28kg，功耗約25W，是目前國(guó)際上集成度最高的生化綜合遙測(cè)系統(tǒng)，技術(shù)先進(jìn)成熟，可以在固定、車載、無(wú)人機(jī)等平臺(tái)上得到廣泛應(yīng)用。

圖7 DD-CWA系統(tǒng)

2.2 基于新型激光器DIAL系統(tǒng)發(fā)展

OPO固體激光器作為一種寬調(diào)諧相干光源，克服了固體和氣體激光器輸出波長(zhǎng)的局限性，能夠產(chǎn)生從紫外到遠(yuǎn)紅外波段的激光。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)諧范圍大、工作可靠、轉(zhuǎn)換效率高、重頻快、可以實(shí)現(xiàn)小型化與全固化光學(xué)參量振蕩器等特點(diǎn)。2000年后，美國(guó)、英國(guó)、日本、意大利、印度等國(guó)開(kāi)展了對(duì)可調(diào)諧OPO激光器的研究并應(yīng)用于大氣有毒有害氣體激光遙測(cè)。

2011年，印度設(shè)計(jì)了以O(shè)PO可調(diào)諧激光器和釹摻雜釔鋁石榴石(Nd∶YAG)激光器作為復(fù)合光源的DIAL雷達(dá)系統(tǒng)，其工作原理如圖8所示[18]。該系統(tǒng)采用OPO(3μm～4μm)可調(diào)諧激光器與Nd∶YAG(1.064μm)激光器作為復(fù)合光源，擴(kuò)展了DIAL激光雷達(dá)的工作波長(zhǎng)，廣泛適用于生物和化學(xué)有毒有害氣體遙測(cè)。

圖8 OPO可調(diào)諧激光器和Nd∶YAG激光器作為復(fù)合光源的差分吸收雷達(dá)系統(tǒng)原理圖

2019年，印度激光科技中心研制出中波固體DIAL激光雷達(dá)(見(jiàn)圖9[19])，該雷達(dá)采用3μm～3.4μm的OPO固體可調(diào)諧激光器作為光源，200μm的卡式接收天線，利用長(zhǎng)程差分吸收原理，在980m的開(kāi)闊空間中實(shí)現(xiàn)了對(duì)硫二甘醇蒸汽羽煙的遙測(cè)[19]。

圖9 可調(diào)紅外差分吸收激光雷達(dá)

2015年開(kāi)始，意大利羅馬大學(xué)等單位開(kāi)展了一體化激光雷達(dá)技術(shù)研究，采用雙臺(tái)CO2的長(zhǎng)波紅外激光器和1.06μm及其倍頻0.532μm的固體激光器為光源，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種有毒有害氣體的綜合測(cè)量。系統(tǒng)工作時(shí)，先采用1.06μm及0.532μm的激光對(duì)目標(biāo)區(qū)與進(jìn)行掃描，獲得氣溶膠云團(tuán)的信息，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有可疑的氣溶膠時(shí)，在切換到CO2激光通道對(duì)化學(xué)物質(zhì)種類、濃度等詳細(xì)信息進(jìn)行測(cè)量[4]。

QCL是一種能夠發(fā)射中紅外和遠(yuǎn)紅外頻段光譜的半導(dǎo)體激光器。它是由貝爾實(shí)驗(yàn)室FAIST等人于1994年率先實(shí)現(xiàn)[20]。QCL的中長(zhǎng)波可調(diào)諧波長(zhǎng)范圍使其非常適合化學(xué)和生物傳感應(yīng)用[21]。由于其具有小型化及高可靠性等特點(diǎn)，QCL非常適合用于實(shí)現(xiàn)對(duì)有毒有害氣體的連續(xù)測(cè)量和監(jiān)視[22]。圖10為基于開(kāi)放路徑QCL傳感器激光遙測(cè)工作原理示意圖[23]。其中，QCL光束與可見(jiàn)激光共對(duì)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)與后向反射器的長(zhǎng)光程對(duì)準(zhǔn)。牛頓望遠(yuǎn)鏡配置將光收集到冷卻的碲鎘汞探測(cè)器上,通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集探測(cè)器信號(hào)，并將其傳輸?shù)诫娔X上，完成信號(hào)的采集[23]。

圖10 基于開(kāi)放路徑QCL傳感器工作原理示意圖

西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Pacific Northwest National Laboratory，PNNL)在其調(diào)頻(frequency modulation，F(xiàn)M)DIAL實(shí)驗(yàn)中使用量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)[23]。QCL可以通過(guò)調(diào)整提供給該器件的偏置電流的數(shù)量來(lái)進(jìn)行頻率調(diào)諧[24]。FM DIAL的基本原理為將激光指向散射目標(biāo)，收集散射的光子，并分析這些數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)整個(gè)詢問(wèn)路徑上的目標(biāo)分析物濃度。

光纖激光器是最近十幾年來(lái)研究的熱點(diǎn),具有緊湊性高、可靠性高、功耗低、壽命長(zhǎng)、不需水冷、維護(hù)方便、使用靈活等特點(diǎn)，在3維風(fēng)場(chǎng)測(cè)量、目標(biāo)測(cè)速、相干測(cè)距上有廣泛的應(yīng)用[25]。近年來(lái)，由于全光纖差分吸收激光雷達(dá)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定、探測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于大氣中CO2,H2O等氣體濃度的測(cè)量[26-27]，已得各國(guó)研究機(jī)構(gòu)廣泛的應(yīng)用。

2016年，日本三菱電機(jī)公司報(bào)道了一款全光纖相干探測(cè)體制差分吸收激光雷達(dá)，其工作原理圖如圖11所示[28]。來(lái)自兩個(gè)激光二極管的波長(zhǎng)為1.5μm的連續(xù)激光器發(fā)射對(duì)水蒸氣的波峰和波谷波長(zhǎng)激光，其波峰或波谷波長(zhǎng)由光開(kāi)關(guān)選擇。種子光源輸出的激光分為兩部分：一部分作為本振光；一部分通過(guò)脈沖波形調(diào)制、放大并傳輸?shù)酱髿庵小＝邮盏降男盘?hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，在信號(hào)處理器中進(jìn)行頻譜分析和積累[27]。與非相干激光雷達(dá)相比，由于背景光對(duì)激光雷達(dá)影響很小，它在白天測(cè)量方面具有優(yōu)勢(shì)。此外，激光雷達(dá)還可以同時(shí)測(cè)量風(fēng)速和水汽密度。日本三菱電機(jī)公司完成了水蒸氣密度進(jìn)行垂直分析試驗(yàn), 仿真結(jié)果表明，從0.1km～4.5km的高度，平均10min的水蒸氣密度的精度為10%。該試驗(yàn)的一個(gè)重要意義在于采用了全光纖的相干差分探測(cè)體制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣多要素的遙測(cè)，為差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)大氣探測(cè)的多功能集成提供了一種思路。

圖11 相干差分吸收激光雷達(dá)原理圖

2.3 多平臺(tái)DIAL系統(tǒng)發(fā)展及應(yīng)用

由于大氣中有毒有害等污染氣體主要分布于近地面并以多種形態(tài)存在，在傳統(tǒng)的地面平臺(tái)測(cè)量的基礎(chǔ)上，近年來(lái)機(jī)載及星載平臺(tái)上的應(yīng)用也逐步發(fā)展，為全球大氣污染的全方位一體化遙測(cè)提供了技術(shù)支撐。機(jī)載DIAL系統(tǒng)被認(rèn)為是開(kāi)發(fā)基于空間的DIAL系統(tǒng)進(jìn)行全球尺度測(cè)量的先驅(qū)，為星載DIAL系統(tǒng)提供基礎(chǔ)技術(shù)積累。

20世紀(jì)90年代初，美國(guó)空軍開(kāi)始進(jìn)行機(jī)載遠(yuǎn)距離大氣有毒有害氣體探測(cè)技術(shù)研究，研制作用距離50km以上的以CO2激光器為基礎(chǔ)的差分吸收激光雷達(dá)。其第一階段采用直接探測(cè)方式，發(fā)射接收機(jī)包括輸出能量4J、重頻30Hz的波長(zhǎng)捷變CO2激光器，直徑為35cm孔徑望遠(yuǎn)鏡，光學(xué)穩(wěn)定平臺(tái)以及 HgCdTe光伏探測(cè)器等。發(fā)射接收機(jī)安裝在具有紅外收發(fā)窗口的KC-130飛機(jī)上，試驗(yàn)作用距離為20km～50km。1997年開(kāi)始的第二階段研制，發(fā)展采用了相干探測(cè)原理，采用同樣的發(fā)射機(jī)，但增添了波長(zhǎng)捷變的本振激光器，并用寬帶探測(cè)器替代HgCdTe光伏探測(cè)器。

2015年，德國(guó)航空航天中心完成了開(kāi)發(fā)的機(jī)載差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)CHARM-F用于探測(cè)大氣甲烷和二氧化碳的飛行測(cè)量，開(kāi)展全球碳循環(huán)及溫室氣體效應(yīng)研究。圖12 為CHARM-F測(cè)量示意圖[29]。其測(cè)量原理采用直接檢測(cè)的積分路徑激光雷達(dá)技術(shù)，測(cè)量中激光雷達(dá)發(fā)射激光脈沖，激光脈沖從“硬目標(biāo)”反向散射，硬目標(biāo)可以是地面、海面或明確定義的云面。其后，激光雷達(dá)的接收器檢測(cè)返回的激光脈沖能量，并且可以導(dǎo)出相應(yīng)的吸收氣體(CO2,CH4)的積分柱含量[29]。

圖12 CHARM-F測(cè)量示意圖

受限于地面、布站、光照等限制，對(duì)大規(guī)模有害氣體氣溶膠云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)，地基和機(jī)載激光雷達(dá)不能提供全球連續(xù)時(shí)空檢測(cè)信息。星載差分吸收激光雷達(dá)不受地理位置的限制, 可獲得更大范圍內(nèi)有害氣體氣溶膠云團(tuán)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)的信息。具有觀察整個(gè)天體的能力，實(shí)現(xiàn)天體測(cè)繪、全球信息采集、全球環(huán)境監(jiān)測(cè)、大氣結(jié)構(gòu)測(cè)量。目前，星載差分吸收激光雷達(dá)還不能夠?qū)ξ廴練怏w進(jìn)行探測(cè)，只能實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠的探測(cè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

集成技術(shù)的飛速發(fā)展，激光雷達(dá)技術(shù)日趨成熟，已在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣象觀測(cè)及有毒有害氣體偵測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前地球大氣環(huán)境惡化，各類突發(fā)事件增多，全球性高時(shí)空分辨率，高精度的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)，氣象災(zāi)害的早期預(yù)警，有毒有害氣體泄露監(jiān)測(cè)等技術(shù)的研究已經(jīng)成為當(dāng)前熱門話題，也為差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展提供了機(jī)遇。

大氣中有毒有害污染氣體的近程檢測(cè)手段有很多，中遠(yuǎn)程探測(cè)系統(tǒng)為目前及未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。中遠(yuǎn)距離的大氣探測(cè)技術(shù)手段仍主要以差分吸收、喇曼及TDLAS技術(shù)為主線，以及以此為技術(shù)基礎(chǔ)的新復(fù)合技術(shù)體制。激光譜遙測(cè)技術(shù)發(fā)展多年，近年來(lái)新的復(fù)合技術(shù)層出不窮，并且隨著激光器、光譜識(shí)別及大氣探測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展，與大氣污染相關(guān)的多種大氣要素(如氣溶膠、大氣風(fēng)場(chǎng)、溫度、濕度等)探測(cè)技術(shù)也得到進(jìn)一步提升，也進(jìn)一步推動(dòng)對(duì)大氣污染更加精細(xì)化遙測(cè)。

近年，激光發(fā)射技術(shù)方面得到了快速發(fā)展，伴隨著OPO固體、光纖、QCL激光器技術(shù)及單光子探測(cè)、相干探測(cè)、量子探測(cè)等新探測(cè)體制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)可采用小型化、大能量的激光光源及其復(fù)合技術(shù)得到更快的發(fā)展，為更遠(yuǎn)、更精確地探測(cè)更多有毒有害氣體提供了可能。可以預(yù)測(cè)寬光譜、多波長(zhǎng)、新探測(cè)體制的激光雷達(dá)將成為有毒有害氣體激光遙測(cè)技術(shù)發(fā)展的新方向。

多平臺(tái)應(yīng)用是未來(lái)有毒有害氣體激光遙測(cè)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。從穿戴式、便攜、地基、車載、機(jī)載到星載多平臺(tái)應(yīng)用都將得到發(fā)展，未來(lái)監(jiān)測(cè)體系朝多應(yīng)用平臺(tái)及分布式網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

目前，越來(lái)越多的激光遙測(cè)系統(tǒng)采用復(fù)合光源，通過(guò)系統(tǒng)集成，具備多波長(zhǎng)探測(cè)的能力，實(shí)現(xiàn)同時(shí)探測(cè)不同類型的有毒有害氣體。同時(shí)，可以通過(guò)多種遙測(cè)技術(shù)的融合，完成對(duì)不同類型有毒有害氣體的同時(shí)探測(cè)。針對(duì)大氣有毒有害氣體產(chǎn)生及擴(kuò)散具備一定的氣象及地理環(huán)境條件的要求，未來(lái)大氣有毒有害氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)，除對(duì)有毒有害等氣體監(jiān)測(cè)外，還需一體化集成氣象及地理環(huán)境測(cè)繪等多種技術(shù)集成；通過(guò)信號(hào)處理及現(xiàn)代模式識(shí)別算法技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣綜合環(huán)境的監(jiān)測(cè)；通過(guò)有毒有害氣體分布信息與其它大氣綜合信息等的深度融合，從分布各地的多平臺(tái)傳感器收集處理后接入網(wǎng)絡(luò)，激光雷達(dá)遙測(cè)技術(shù)與微波遙感、紅外遙感、北斗遙感相互補(bǔ)充，將構(gòu)成“無(wú)縫隙” 環(huán)境綜合保障體系，對(duì)有毒有害氣體的遠(yuǎn)程/近程、地/空/天多層次立體監(jiān)測(cè)，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。