近日，我校大气物理学院夏海云教授领衔的研究团队，在激光雷达遥感大气气体光谱方面取得重大进展，实现了自由大气中二氧化碳（CO2）和半重水（HDO，其自然丰度约为H2O的1/3200）有距离分辨率的光谱遥感分析。该研究成果以“Photon-counting Distributed Free-space Spectroscopy”为题发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》(IF=17.78)。
牛顿利用三棱镜将太阳光分解成由红到紫连续排列的七彩光带，开创了光谱学研究的先河。随着光谱分析技术的发展，人们对物质成分的认识更加清晰。气体吸收光谱包含着大量分子特征信息（种类、浓度、压强、温度等），被称为分子识别的“指纹”。
目前大气气体遥感分析技术可以分为被动式和主动式。被动式气体遥感技术，如傅里叶红外光谱仪、光栅光谱仪等，已广泛应用于地基、机载和星载平台，实现广域乃至全球范围的气体监测。这些方法只能获得几公里乃至几百公里整个气柱的总吸收光谱，难以直接获得距离分辨信息。主动式遥感技术中，激光雷达因具有远距离非接触式探测、高时空分辨率等特点，备受关注。现有的气体探测激光雷达主要包括两种：一种是距离分辨差分吸收激光雷达，通过比较待测气体光谱强吸收位置和弱吸收位置的激光后向散射信号强度的差异，实现有距离分辨率的气体浓度遥感，但是数据反演时需要已知气体光谱线型。另一种是路径积分差分吸收激光雷达，探测远端目标反射信号的强度来实现。当增加激光波长采样数量时，可获得路径积分的平均光谱，但无法获得距离分辨信息。
本研究经过多项核心技术攻关，实现了有距离分辨的大气光谱分析（图1）。通过水平扫描，该技术可实现百平方公里范围CO2浓度遥感（图2），为碳源碳汇的监测和核算提供新手段，是该领域的重要突破。
通过脉冲式光纤放大器的优化，该系统可实现光通信波段中的多种气体光谱（CO、CO2、H2O、HDO、NH3、C2H2、H2S和CH4等）的遥感分析。该技术的具体应用包括：温室气体的监测、易燃易爆和有毒气体的泄露预警、大气原位化学反应和同位素监测等研究。
余赛芬博士和章振博士为本文并列第一作者，现均为南京信息工程大学大气物理学院青年教师，夏海云教授为通讯作者。
（图1. CO2和HDO的混合光学深度谱。a.随着距离增加的总光学深度谱;b.距离分辨的光学深度谱。）
（图2. 大气CO2和HDO浓度及风场同步探测）
论文资讯及链接：
Yu, SF., Zhang Z., Xia HY., et al. Photon-counting distributed free-space spectroscopy. Light Sci Appl 10, 212 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41377-021-00650-2
