大气多参数激光雷达在化工园区的安全环保和碳监测中的应用

化工产业是国家经济发展的基础,但其在促进经济发展的同时也面临着高碳排放、环境污染和安全风险等挑战。为了保障化工园区的平稳运行,团队研制了一套全光纤体制的1.5μm大气多参数激光雷达系统,并应用于化工园区的污染强度、气体浓度、风场和降雨信息的监测和预警。该激光雷达系统集成了直接探测模块和相干探测模块,在直接探测模块中,基于扫描光源和超导纳米线单光子探测器进行气体浓度的监测。在相干探测模块中,基于对距离修正回波信号、载噪比和多普勒频移的分析获得颗粒物污染强度和风场分布;基于湍流动能耗散率和风廓线的速度梯度获得湍流和风切变信息;基于深度功率谱分析获得谱宽和偏度,用于区分风速和雨速,获得精准的降雨信息。大气多参数激光雷达分别在江苏省南京市江北新区和内蒙古自治区鄂尔多斯自治旗棋盘井镇进行外场实验,通过多次实验验证了该大气多参数激光雷达在化工园区进行环保、安全和精细化气象保障的能力。文中还进一步设计展望了该系统在化工园区探测多种危化气体浓度的潜力。

时域色散选通光谱分析技术

光频域的光谱分析技术已在分子原子光谱学中发挥了重要作用,但仍存在频率扫描慢、锁定复杂等问题。基于此,提出了一种基于时域的光谱选通和扫描方法,具有光谱分辨率高、扫描速度快和无机械运动元件的优点。飞秒时域拉伸技术作为一种超快探测手段,能够将飞秒脉冲展宽至纳秒,并实现光谱信息至时域信息的实时映射。在时域中使用皮秒级脉冲调制展宽后的纳秒脉冲,可选通出特定光谱。选通后,调节皮秒脉冲的延时便可完成光谱的扫描。通过51次延时选通测量氰化氢气体的2ν3旋转振动带P10吸收线,验证了该时域色散选通法的光谱分析能力。单次测量的累计时间为5μs,230 ps选通脉冲宽度和56 ps扫描间隔对应的光谱分辨率和光谱扫描间隔分别为6.2 GHz和1.5 GHz,与色散光谱仪直接测量对比的误差标准差为0.0065,最大偏差的百分比为1.54%。未来通过降低选通脉冲宽度至30ps和提高脉冲扫描速度,该光谱分析技术可达到0.8 GHz的光谱分辨率和千赫兹以上的光谱扫描速度。

1.5微米大气探测激光雷达研究进展(特邀)

激光雷达拥有探测距离远、探测精度高、时空分辨率高、探测参数多样等优点,是大气探测的重要手段。对比常见的可见光波段激光雷达,1.5μm大气探测激光雷达有独特优势,包括人眼安全、全光纤结构、穿透云雾能力强和昼夜连续探测等。2015年,世界首台单光子频率上转换气溶胶探测激光雷达诞生,实现了6 km距离高时空分辨率的气溶胶分布连续探测。在此之后,1.5μm大气探测激光雷达在国内外迅速发展。按照探测方式区分,1.5μm大气探测激光雷达进展分为直接探测激光雷达和相干探测激光雷达两类。直接探测激光雷达包括单光子频率上转换激光雷达、单光子频率上转换测风雷达、超导双频测风激光雷达、超导偏振激光雷达、多模单光子探测云激光雷达和单光子光谱遥感激光雷达。相干探测激光雷达包括偏振探测相干激光雷达、格雷编码相干测风激光雷达和大气多参数探测相干激光雷达。这些雷达的探测目标包括大气气溶胶(云)、能见度、偏振、风廓线、湍流耗散率、气体浓度、降水(雨滴谱),并且单台雷达拥有多参数同时探测的能力。

温室气体通量测量方法及进展

分析了国内外主要的温室气体通量测量方法,包括针对地球生态系统通量的测量方法和针对人为排放通量的测量方法。梳理了地基原位通量测量网络、地基和星载被动遥感技术和以激光雷达为代表的主动遥感技术的研究现状与进展,分析了当前测量技术对人为碳排放的探测能力。结合国内外发展趋势,展望了为满足全球和区域人为碳排放监测的需求,需要同化原位探测与主动遥感探测数据、通过科学的卫星组网提高时空分辨率并建立不同尺度的模型。