安光所升级高精度温室气体激光外差光谱探测技术

在双碳目标与大气环境精细化监测的行业背景下，高精度温室气体遥感探测技术成为气候研究、碳通量核算、大气环境治理的核心技术支撑。激光外差辐射计凭借小型化、低成本、高适配野外部署的优势，是大气温室气体柱浓度与垂直廓线探测的核心设备，但长期受校准精度不足、波长漂移、光谱畸变等技术短板制约，难以满足高精度监测需求。近日，中国科学院安光所基础科学中心团队完成多项关键技术攻关，从算法、硬件、架构层面实现全方位突破，大幅提升设备探测精度与光谱分辨率。

传统激光外差辐射计在实际应用中存在三大核心技术难题，严重限制设备探测性能。其一，传统仪器线型校准方式存在缺陷，忽略锁相放大器的干扰影响，同时单模激光校准易受偏振敏感性与频率依赖性影响，无法精准还原设备真实线型，直接降低温室气体浓度反演精度。其二，野外复杂工况下，设备缺乏有效的实时波长校准手段，激光波长易发生漂移，导致长期观测数据稳定性、可靠性不足。其三，传统双边带探测架构存在固有短板，光谱易出现中心凹陷畸变，数据失真严重，且光谱分辨率存在理论上限，无法突破探测极限。

针对上述行业痛点，安光所团队针对性开展技术创新，落地三项原创性核心技术。在校准算法层面，团队创新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，通过放大自发辐射源模拟太阳辐射环境，结合低压甲烷气体吸收光谱完成线型精准重构，彻底解决传统校准技术的局限性。经测试，该技术将光谱吸收线翼部残差降低30%，峰值残差大幅优化，最终实现甲烷柱浓度反演精度提升10%。

在硬件优化层面，团队研发全光纤非平衡马赫-曾德尔干涉仪实时波长校准系统，确立激光外差探测场景下的最优臂长差标准。22cm非平衡臂设计让设备校准分辨率达0.01623cm⁻¹，1秒平均时间内校准不确定度低至2×10⁻⁵cm⁻¹。该设备依托全光纤结构，抗干扰能力强、无需日常维护，通用性突出，经合肥科学岛外场试验验证，大气CO₂观测反演误差仅2%，适配长期野外高精度监测场景。

在探测架构层面，团队革新硬件设计，提出三通道单边带激光外差光谱探测方案，通过声光调制器、射频滤波与减法电路抑制杂散信号，彻底消除双边带光谱中心凹陷问题。优化后设备光谱分辨率提升至0.002cm⁻¹，较传统设备翻倍，甲烷探测数据与真实光谱吻合度达99.1%，探测误差降低64%。

此次系列技术突破，系统性解决了激光外差辐射计精度不足、稳定性差、光谱失真等行业共性难题，全面升级国产大气探测设备核心性能。未来，该系列技术将为高精度大气监测网络建设、气候变化研究及深空行星大气探测提供坚实的国产技术支撑，推动我国温室气体探测设备向高精度、高稳定性、国产化方向迭代升级。