二氧化碳激光器

新华网合肥12月23日消息 记者从中科院合肥物质研究院了解到，中科院安徽光学精密机械研究所承担的中科院重点装备“二氧化碳拉曼激光雷达”日前研制成功，并顺利通过了中科院相关专家组验收。　　中科院合肥物质研究院研究员胡顺星介绍，“二氧化碳拉曼激光雷达系统”是我国第一台具有自主知识产权的全方位探测大气温室气体二氧化碳时空分布的激光雷达系统。该系统探测范围水平方向大于2km，垂直方向大于3km，探测精度1km范围内测量误差小于1%，3km范围内测量误差小于3%。这套系统在国际同类研究中处于领先水平。　　验收专家组对激光雷达系统进行了现场测试，测试显示系统各项指标均符合或部分超过实施方案的设计指标。它的研制成功填补了我国大气二氧化碳空间分布探测技术的空白。二氧化碳拉曼激光雷达可以用于大气二氧化碳垂直分布的探测，大面积的近地面大气二氧化碳水平分布，用于二氧化碳排放源的监测等研究。目前，该二氧化碳拉曼激光雷达系统已经投入合肥地区大气二氧化碳垂直分布的常规测量。　　近几十年来，人类活动导致大气中温室气体和污染气体的浓度急剧增加，对全球气候的改变产生重要影响。二氧化碳是气候变化预测中非常重要的大气温室气体，但人们对它的了解远远不够。目前国际上二氧化碳垂直分布探测的方法非常少，至今，我国还没有二氧化碳空间分布的数据。　　专家介绍说，我国政府积极应对全球气候变化，加强工业二氧化碳减排的计划和工作，还把“监测气候变化的过程和要素”等气候变化监测预测预警作为应对气候变化专项行动的重点任务之一。政府部门计划在“十二五”期间开展有关碳收支和碳循环的研究，离不开对二氧化碳空间分布的精确探测。

大气温室气体是导致全球平均气温和海温升高、大范围雪和冰融化、以及海平面上升等全球气候变化的重要因素，特别是二氧化碳的排放是当今世界最为关注的地球大气环境问题。实现对全球大气温室气体(尤其是二氧化碳)的高精度探测，对我国制定相关气候应对措施具有深远影响，将为我国的环境外交政策提供强有力的技术支撑和保障。基于目前科学技术水平，准确把握二氧化碳的全球变化，是目前空间遥感探测的热点和难点，需要充分依靠高灵敏度和高光谱分辨率的遥感探测技术。　　由我所承担的院空间科技创新基地重要方向项目“超光谱环境遥感监测关键技术研究”经过近2年攻关，研制成功基于空间外差光谱技术(SHS — Spatial Heterodyne Spectroscopy)的大气主要温室气体二氧化碳航空遥感探测试验样机。该技术目前已被列入高光谱观测卫星与环境减灾小卫星的温室气体探测计划。　　日前，在山东日照进行的机载试验受到中国海监北海支队的大力支持，机载试验样机装载于中国海监Y-12飞机，实现一次装机，一次校飞获取信息。试验共飞行两架次，约9个半小时，两个飞行高度(500m、1000m)，飞行区域为山东日照市区及附近郊区，选择了农田、工业区、海岸滩涂等典型地表区域，获取了大量数据。预处理结果表明了试验样机完全到达了设计指标，即在大气二氧化碳最主要的吸收波段1575nm范围中，得到光谱分辨率为0.1nm的实际大气二氧化碳吸收光谱，与理论计算对比一致。这些遥感数据将成为反演大气环境中二氧化碳柱浓度不可替代的和最直接的依据。下图为二氧化碳机载试验样机、机载试验状况及大气二氧化碳超光谱曲线。　　空间外差光谱技术是近年发展起来的一种新型超光谱遥感探测技术，与传统的傅立叶干涉系统(如日本的GOSAT)和衍射光栅系统(如欧洲的ENVISAT、美国的OCO)高分辨光谱遥感技术相比，空间外差光谱技术更具有针对性，该技术综合了衍射及空间调制干涉技术于一体，在限定的光谱范围内可达到很高的光谱分辨率和信噪比，且具有结构紧凑、无运动部件等特点，因而成为高精度大气成分遥感探测的优选技术之一。　　安徽光机所是国内最早开展空间外差光谱技术实验研究的单位之一，先后获得了国家自然基金、863项目、院创新基金的支持。2008年在院重要方向项目支持下，集中攻克了空间外差一体化干涉仪核心技术，解决了大气温室气体空间外差光谱遥感系统设计及定标(辐射、光谱以及吸收池)等关键技术，针对二氧化碳、甲烷以及一氧化碳等大气温室气体的探测研制了机载遥感试验样机和干涉仪组件。　　本次校飞试验结果表明，历时两年自主研发的二氧化碳空间外差光谱仪系统指标先进、性能稳定。本次校飞试验，不仅在国内首次获得了高分辨率大气二氧化碳飞行数据，同时验证了该系统在移动平台下获取高质量大气二氧化碳超分辨光谱的能力，为发展包括大气温室气体、气溶胶、污染气体等国家机载大气环境遥感监测系统，以及发展我国大气温室气体星载遥感系统奠定了坚实基础。

4月16日2时16分，长征四号丙运载火箭在太原卫星发射中心升空，将世界首颗具备二氧化碳激光探测能力的卫星——大气环境监测卫星送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。星箭均由中国航天科技集团有限公司八院抓总研制。，时长00:30摄影：郑逃逃大气环境监测卫星是《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015-2025年）》中的科研卫星，运行705公里的太阳同步轨道，整星发射重量约2.6吨，装载了大气探测激光雷达、高精度偏振扫描仪、多角度偏振成像仪、紫外高光谱大气成分探测仪及宽幅成像光谱仪等五台遥感仪器，是一颗集CO2激光主动探测、细颗粒物立体探测、气态污染物探测和地表环境探测的多要素综合监测卫星。长征四号丙运载火箭发射升空。吴敬博 摄大气环境监测卫星的成功发射和在轨应用标志着我国在大气遥感领域达到国际领先水平，卫星在轨应用后将实现对生态环境、气象和农业等多领域定量遥感服务能力的跨越式提升，为我国实现减污降碳协同增效、建设美丽中国的目标提供有力支撑。首次搭载大气探测激光雷达大气环境监测卫星在CO2探测手段和精度、细颗粒物主被动探测和偏振交火探测体制上，创造了三个世界第一。二氧化碳探测，激光雷达出奇效。大气环境监测卫星实现国际上首次搭载大气探测激光雷达这一主动探测载荷，实现主动激光CO2高精度、全天时、全球探测，探测精度大幅提升至优于1ppm，达到国际最高水平，为我国实现“碳达峰、碳中和”目标提供最精准的遥感数据支撑。同时，大气探测激光雷达通过对大气进行分层“CT”扫描，国内首次实现全球气溶胶光学厚度、形状和尺寸等垂直分布信息的获取。PM2.5监测，综合手段创新高。大气环境监测卫星国际上首次采用了主被动结合、多手段综合的探测体制，通过装载不同类型、不同原理的载荷，将主动发射激光接收的回波信号和被动接收的太阳光反射信号相结合，综合反演多种遥感数据，实现对近地面细颗粒物（PM2.5等）浓度的高精度监测，为大气污染精准防治提供科学数据支撑。中国航天科技集团八院供图偏振交火，信息融合效率高。大气环境监测卫星国际首次采用融合反演级偏振交火探测技术，获取气溶胶光学厚度、粒子尺度等多种参数，通过空间、辐射和偏振维度的信息融合，大幅提升细颗粒物探测精度，达到国际先进水平。此外，紫外高光谱大气成分探测仪及宽幅成像光谱仪也将大幅提升气态污染物以及地表环境监测能力，紫外谱段高光谱大气观测以及宽幅多光谱观测空间分辨率提升一倍。首次创新应用无控制点激光光轴自标定技术大气环境监测卫星每天可绕地球飞14轨，激光雷达不分白天黑夜全天时工作，可谓是一个兢兢业业的“劳模”。除了敬业之外，它还是一个十足的“强迫症”，时刻不忘摆正自己的姿态，以保证极高的指向测量精度，为此还在国内首次创新应用了无控制点激光光轴自标定技术。 中国航天科技集团八院供图这一“神技”顺利施展的前提是要有一把能够实时提供绝对姿态信息的“标尺”，也就是“司机”的“眼睛”——星敏感器。激光雷达自身发射的光源分束后经星敏感器支架上的棱镜反射，建立起激光雷达与星敏感器的在轨标校系统，这样激光雷达就可以借助星敏感器这双“慧眼”实时明确自己“身在何方”。据中国航天科技集团八院控制所卫星姿轨控分系统副主任设计师孙尚介绍，为提供高精度在轨三轴惯性测量精度，姿轨控分系统采用了高精度多头星敏感器。“好比用‘三只眼睛’同时定位，利用一个‘大脑’融合处理出更高精度的姿态测量数据。”据悉，“十四五”期间我国还将发射高精度温室气体综合探测卫星，与大气环境监测卫星组网观测，进一步提升我国天基碳监测能力和水平，为我国生态文明建设，实现“双碳”目标贡献航天力量。