差量吸收型分子濾光成像技術(shù)

隨著紅外成像技術(shù)對(duì)時(shí)間分辨率、空間分辨率、光譜分辨率及光學(xué)穩(wěn)定性需求的不斷提升，四者之間的制約矛盾愈加激化。分子濾光器是一種具有梳狀離散透射譜型的濾波器件，依靠分子能級(jí)躍遷對(duì)光波長(zhǎng)的分辨實(shí)現(xiàn)選擇性透射，其效果是“光學(xué)”的，機(jī)理是“量子”的，為該矛盾的解決提供了新的途徑?；诜肿庸庾V理論，給出了差量吸收型、磁致旋光型及多普勒調(diào)制型三類分子濾光成像技術(shù)的工作機(jī)理與理論模型，結(jié)合研究團(tuán)隊(duì)相關(guān)工作，分別介紹了差量吸收型分子濾光在機(jī)動(dòng)車尾氣遙感監(jiān)測(cè)、磁致旋光型分子濾光在燃燒診斷以及多普勒調(diào)制型分子濾光在星載大氣風(fēng)場(chǎng)溫度場(chǎng)遙感領(lǐng)域的應(yīng)用，最后分析了三種機(jī)理濾光方法的技術(shù)特點(diǎn)與適用性。

0引言

近年來，隨著紅外感光材料和紅外光學(xué)材料的迅猛發(fā)展，紅外探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用愈加廣泛，在污染監(jiān)測(cè)、大氣遙感、森林防火、天文觀測(cè)、氣體泄漏檢測(cè)以及目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

由于分子的特征光譜（即分子振動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷頻率）主要集中在紅外波段，因此，紅外探測(cè)技術(shù)在朝向高時(shí)間分辨與高空間分辨發(fā)展的同時(shí)，也在極力追求高光譜分辨。但對(duì)于傳統(tǒng)光學(xué)手段，時(shí)間分辨、空間分辨及光譜分辨，三者存在嚴(yán)重的相互制約關(guān)系，無法同時(shí)滿足。如紅外F-P干涉儀可以實(shí)現(xiàn)很高的光譜分辨率，準(zhǔn)確探測(cè)氣體濃度，但是由于其透射譜型受入射角的影響非常大，因而在成像方面存在很大局限性；紅外成像光譜儀可以實(shí)現(xiàn)光譜分辨與空間分辨的完美統(tǒng)一，但是該技術(shù)通常采用機(jī)械掃描的方式獲取空間圖像，因而在時(shí)間分辨方面比較受限。此外，傳統(tǒng)光學(xué)手段還存在光譜分辨率越高，光學(xué)穩(wěn)定性越差的現(xiàn)實(shí)情況。如何實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨率、空間分辨率、光譜分辨率和光學(xué)穩(wěn)定性之間的完美統(tǒng)一，是紅外探測(cè)領(lǐng)域長(zhǎng)期以來努力追求卻一直未能很好解決的世界性難題。

1996年，隆德大學(xué)理工學(xué)院的Jonas Sandsten等人提出差量吸收型分子濾光成像技術(shù)；2011年，GATS. Inc．的Larry L．Gordley等人提出了多普勒調(diào)制型分子濾光成像技術(shù)；2017年，中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所的武魁軍等人提出了磁致旋光型分子濾光成像技術(shù)。分子濾光紅外成像技術(shù)的提出為該難題的解決提供了一種新的技術(shù)途徑。分子濾波器是一種具有梳狀離散透射譜型的濾波器件，依靠分子能級(jí)躍遷對(duì)光波長(zhǎng)的分辨能力實(shí)現(xiàn)選擇性透射。分子濾波器的效果雖然是“光學(xué)”的，但其工作機(jī)理卻是“量子”的。分子濾波器光譜分辨高（GHz）、光學(xué)穩(wěn)定性好（受震動(dòng)、溫度等環(huán)境因素影響小），而且視場(chǎng)角大（>10?），是一種極穩(wěn)定的高光譜分辨濾波成像器件。

文中主要介紹分子濾光紅外成像技術(shù)的工作機(jī)理及其應(yīng)用。結(jié)合研究團(tuán)隊(duì)在分子濾光紅外成像技術(shù)領(lǐng)域的研究工作，對(duì)差量吸收型、磁致旋光型及多普勒調(diào)制型三種機(jī)理的分子濾光成像技術(shù)的基本原理進(jìn)行闡述，介紹該技術(shù)在機(jī)動(dòng)車尾氣遙感監(jiān)測(cè)、燃燒診斷領(lǐng)域及星載大氣風(fēng)場(chǎng)溫度場(chǎng)遙感領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展情況，并分析三種機(jī)理濾光方法的技術(shù)特點(diǎn)與適用性，并對(duì)存在的主要問題及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

1工作原理

分子濾光紅外成像技術(shù)將分子濾光與紅外成像有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光譜分辨率、空間分辨率、時(shí)間分辨率和光學(xué)穩(wěn)定性的有效統(tǒng)一。分子濾波器是一種具有梳狀離散透射譜型的濾波器件，采用同種分子來準(zhǔn)確提取濾光片透過帶內(nèi)的所有信號(hào)光譜，并抑制吸收線之間以及之外的背景噪聲。由于工作物質(zhì)采用與目標(biāo)中被測(cè)氣體種類相同的氣體分子，因此透射譜與目標(biāo)光譜頻率嚴(yán)格匹配，且透射頻率穩(wěn)定。根據(jù)工作方式的不同，可以將分子紅外濾光器分為差量吸收型、磁致旋光型和多普勒調(diào)制型三種。三者的主要區(qū)別在于濾除背景噪聲的實(shí)現(xiàn)方式不同。其中，差量吸收型分子濾光器是通過改變分子氣室內(nèi)的工作壓強(qiáng)或分子氣室長(zhǎng)度，控制分子氣體對(duì)信號(hào)光和背景光的吸收，從而實(shí)現(xiàn)背景噪聲的濾除：磁致旋光型分子濾光器利用分子的法拉第效應(yīng)，通過控制濾光器的磁場(chǎng)、氣室長(zhǎng)度、溫度、壓強(qiáng)等工作條件，使信號(hào)光的偏振方向旋轉(zhuǎn)π／2的角度后被提取，背景光的偏振方向未旋轉(zhuǎn)而被抑制，從而起到濾光的作用；多普勒調(diào)制型分子濾光器是利用所在平臺(tái)的高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)對(duì)目標(biāo)輻射光譜進(jìn)行譜型掃描而實(shí)現(xiàn)濾光效果的。

1.1差量吸收型分子濾光成像技術(shù)

差量吸收型分子濾光器是利用分子對(duì)信號(hào)光的吸收作用實(shí)現(xiàn)濾光效果的，一般由兩套分子吸收氣室組成，通過兩套氣室對(duì)接收光強(qiáng)的吸收差異實(shí)現(xiàn)濾光目的，其基本結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。兩套氣室一般會(huì)充入相同種類的氣體，但是會(huì)在氣室長(zhǎng)度（公式1）或氣室壓強(qiáng)上（公式2）有所區(qū)別，使得兩氣室中的分子氣體對(duì)信號(hào)光和背景光的吸收情況不同。其濾光原理如圖1（b）所示。圖中紅線所示為弱吸收泡的吸收譜型、藍(lán)線所示為強(qiáng)吸收泡的吸收譜型，黑線所示為兩類吸收泡的差量譜線，信號(hào)在經(jīng)過兩類吸收泡后，被吸收的程度不同，兩者的差量信號(hào)只含有信號(hào)信息，不含有背景信息，因而可以起到濾除雜散光的效果。

圖1 差量吸收型分子濾光器

長(zhǎng)度調(diào)制式分子濾光器的透射率可以表示為：

式中：N為兩分子氣室內(nèi)目標(biāo)氣體的濃度；S（T）為溫度T下的分子譜線強(qiáng)度；LL及LS分別為長(zhǎng)程吸收氣室（L）及短程吸收氣室（S）的氣室長(zhǎng)度；Φ（v-v0）為吸收線型。

壓強(qiáng)調(diào)制式分子濾光器的透射率可以表示為：

式中：NH及-NM分別表示高氣壓吸收泡（H）及低氣壓吸收泡（M）的氣室長(zhǎng)度。

1.2磁致旋光型分子濾光成像技術(shù)

磁致旋光型分子濾光器的工作原理是順磁性量子體系的Faraday旋光效應(yīng)。磁致旋光型濾光器由一個(gè)置于軸向磁場(chǎng)中的順磁性分子氣室和兩個(gè)正交的偏振器組成，如圖2所示。光束通過起偏器后，成為了線偏振光，線偏振光在沿軸向磁場(chǎng)的氣體分子中傳輸時(shí)，其偏振方向相對(duì)于入射時(shí)發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，旋光角度與順磁性分子濃度、分子氣室長(zhǎng)度、軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度及入射光的波長(zhǎng)等因素有關(guān)。為了濾除背景光，選擇合適的工作參數(shù)，使目標(biāo)譜線的旋光角度為90?整數(shù)倍，最大限度地通過檢偏器，而其他波長(zhǎng)的光束則由于沒有發(fā)生旋光而被抑制。

圖2 磁致旋光型分子濾光器的工作原理

氣室中的順磁性分子由于磁場(chǎng)作用產(chǎn)生Zeeman分裂，使得在其中傳播的線偏振光分解為左旋圓偏振光及右旋圓偏振光，Zeeman效應(yīng)導(dǎo)致兩者的衰減及相移有所差異。衰減的差異體現(xiàn)在吸收率的不同，從而形成圓雙色性吸收現(xiàn)象：相差的差異體現(xiàn)在折射率的不同，從而形成圓雙折射效應(yīng)。由于折射率不同，因而兩類圓偏振光的傳播速度也不相同，使得穿過分子氣室后重新合成的線偏振光的偏振方向會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋過的角度Φ與氣室長(zhǎng)度L成正比。

式中：x為色散線形函數(shù)，其下標(biāo)分別代指左旋（L）及右旋（R）圓偏振光；Φ為旋光角度；SM”M’為磁子能級(jí)M”-M’躍遷的譜線強(qiáng)度；Ni、Nj分別為量子態(tài)i、j的分子數(shù)密度；||2為量子態(tài)i及量子態(tài)j之間躍遷的電偶極矩；v0=v-v0為偏離分子吸收峰頻率的調(diào)諧量；L為分子氣室長(zhǎng)度。

考慮順磁分子對(duì)入射光的雙色性吸收作用，通過檢偏器后，線偏振光的透過率T表示為：

圖3所示為磁致旋光型分子濾光器的旋光角度（藍(lán)線）與透射譜型（紅線）。由圖可知，在順磁分子吸收譜線共振波長(zhǎng)附近（即0 GHz位置），旋光角度接近90?，此時(shí)分子濾光器的透過率達(dá)到最大值，約60%；而在遠(yuǎn)離吸收譜線的波段，旋光角度為0，此時(shí)，入射光無法通過濾光器。

圖3 磁致旋光型分子濾光器的旋光角度與透射譜型

1.3多普勒調(diào)制型分子濾光成像技術(shù)

多普勒調(diào)制型分子濾光器是利用衛(wèi)星平臺(tái)的高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，使分子濾光器的吸收譜線對(duì)大氣中的氣輝輻射光譜進(jìn)行譜型掃描，得到氣輝光譜的頻移信息及展寬信息進(jìn)而反演獲取大氣風(fēng)場(chǎng)及溫度場(chǎng)的濾光成像技術(shù)。

由于衛(wèi)星速度沿視線方向的分量不同，因此分子濾光器在不同視場(chǎng)的像元上對(duì)應(yīng)的吸收光譜的中心頻率也有所不同，相應(yīng)的像元上產(chǎn)生的多普勒積分透射（DIP）信號(hào)也不相同。由于DIP信號(hào)是通過對(duì)分子濾光器進(jìn)行光譜的多普勒調(diào)制后掃描大氣氣輝光譜得到的，因此DIP信號(hào)自身含有大氣的光譜信息，如頻移及展寬。圖4所示為多普勒調(diào)制型分子濾光成像技術(shù)的工作原理圖。圖4(a)為分子濾光器的吸收光譜，圖4(b)~(e)為不同視場(chǎng)角對(duì)應(yīng)的經(jīng)多普勒調(diào)制吸收后的大氣輻射光譜信號(hào)，圖4(f)為各視場(chǎng)像元獲得的DIP信號(hào)。

圖4 多普勒調(diào)制型分子濾光成像技術(shù)的工作原理圖

2應(yīng)用進(jìn)展

分子濾光紅外成像技術(shù)由于采用與被測(cè)氣體種類相同的氣體分子作為工作物質(zhì)，具有背景抑制能力強(qiáng)、靈敏度高、工作穩(wěn)定可靠、環(huán)境穩(wěn)定性好、可成像、視場(chǎng)角大等優(yōu)點(diǎn)，在光電探測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出傳統(tǒng)光學(xué)手段無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。由于工作原理不同，三類分子濾光紅外成像技術(shù)具有不同的技術(shù)特點(diǎn)及實(shí)用性。差量吸收型分子濾光器的普適性最廣泛，可應(yīng)用于機(jī)動(dòng)車尾氣遙感等氣體污染監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，磁致旋光型分子濾光器的光譜抑制能力最強(qiáng)，可應(yīng)用于燃燒診斷領(lǐng)域，多普勒調(diào)制型分子濾光器的光譜分辨率最高，適合探測(cè)大氣的風(fēng)場(chǎng)及溫度場(chǎng)信息。

2.1機(jī)動(dòng)車尾氣遙感監(jiān)測(cè)

機(jī)動(dòng)車污染源已成為影響空氣質(zhì)量的重要來源。環(huán)境保護(hù)部2018年6月發(fā)布的《2017年中國(guó)機(jī)動(dòng)車污染防治年報(bào)》顯示，我國(guó)已連續(xù)八年成為世界機(jī)動(dòng)車產(chǎn)銷第一大國(guó)。機(jī)動(dòng)車污染是造成灰霾、光化學(xué)煙霧污染的重要原因，機(jī)動(dòng)車污染防治的緊迫性日益凸顯。

20世紀(jì)初發(fā)展出可調(diào)諧激光吸收（TDLAS）及差分吸收（DOAS）遙感監(jiān)測(cè)法實(shí)現(xiàn)了在機(jī)動(dòng)車行駛中檢測(cè)尾氣污染情況，這種既不增加人力物力，也不影響正常交通的遙感監(jiān)測(cè)方式曾一度備受推崇。但由于光束只能檢測(cè)尾氣的局部，而尾氣分布的極不均勻性使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)離散度較大，導(dǎo)致污染物排放超標(biāo)認(rèn)定的準(zhǔn)確性較低。

2018年，中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所的武魁軍等人在國(guó)際上率先提出將分子濾光紅外成像技術(shù)應(yīng)用于機(jī)動(dòng)車尾氣遙感監(jiān)測(cè)的方案。移動(dòng)污染源所排放的污染物多為氣體分子，其輻射光譜具有梳狀離散特性，譜積分強(qiáng)度小，采用傳統(tǒng)的窄帶紅外濾光片技術(shù)，難以濾除環(huán)境背景干擾，導(dǎo)致無法提取尾氣輻射圖像。分子濾光器件采用同種分子作為工作物質(zhì)，與目標(biāo)輻射譜的譜線結(jié)構(gòu)完全匹配，從而有效濾除背景光，實(shí)現(xiàn)選擇性透射。分子濾光技術(shù)能夠最大限度提高尾氣遙感系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信噪比和抗干擾能力，從而提高尾氣污染物定量遙感的反演精準(zhǔn)度。

基于分子濾光紅外成像技術(shù)的移動(dòng)污染源組分濃度探測(cè)系統(tǒng)采用差量吸收型分子濾光，系統(tǒng)由兩個(gè)光譜通道組成，一個(gè)信號(hào)通道和一個(gè)參考通道，如圖5所示。兩個(gè)光譜通道的成像光學(xué)透鏡、紅外帶通濾光片和紅外焦平面具有相同光學(xué)特性和光譜參數(shù)。所不同的是，信號(hào)通道前端的分子氣室中充入與被測(cè)氣體相同成分的氣體，其壓強(qiáng)、濃度等工作參數(shù)根據(jù)尾氣光譜數(shù)據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，參考通道前端的分子氣室中充入在紅外波段沒有光譜活性的N2分子。

圖5 基于分子濾光紅外成像技術(shù)的移動(dòng)污染源組分濃度探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

參考通道的光譜響應(yīng)可以看作參考?xì)馐掖捌⒊上窆鈱W(xué)透鏡和紅外帶通濾光片三者的光譜透射函數(shù)在數(shù)學(xué)上的卷積；而信號(hào)通道的光譜響應(yīng)需要在參考通道的基礎(chǔ)上考慮信號(hào)氣室中工作氣體的吸收光譜。參考通道及參考通道的光譜響應(yīng)函數(shù)Frc及Fcc?？梢苑謩e表述為：

式中：f（v）為紅外帶通濾光片的光譜透射曲線；T（v）為分子氣室窗口透射光譜函數(shù)與成像光學(xué)透射函數(shù)的卷積；α（v）為信號(hào)氣室中工作氣體的光學(xué)厚度。因此，兩光譜通道的等效差量光譜響應(yīng)函數(shù)?F可以表述為：

兩光譜通道的光譜響應(yīng)函數(shù)及其等效差量光譜響應(yīng)函數(shù)如圖6所示。

圖6 光譜響應(yīng)函數(shù)及其等效差量光譜響應(yīng)函數(shù)

由圖6可知，透射參考通道的波長(zhǎng)受被測(cè)氣體濃度影響很大，而透射信號(hào)通道的波長(zhǎng)幾乎不受測(cè)試氣體濃度的影響。因此兩者的等效差量透射光譜函數(shù)對(duì)被測(cè)氣體濃度十分敏感。

等效差量透射光譜信號(hào)?S與參考信號(hào)S的比值，即歸一等效差量函數(shù)，可以表述為：

式中：AΩξ為移動(dòng)污染源組分濃度探測(cè)系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換因子。

歸一等效差量函數(shù)?S／S可以隨氣體濃度及尾氣溫度的變化關(guān)系如圖7所示?？梢钥闯?，歸一等效差量函數(shù)?S／S只與尾氣濃度有關(guān)，而與尾氣溫度無關(guān)，因此只要測(cè)定?S/S就可以準(zhǔn)確反演尾氣污染物濃度，而不受尾氣溫度影響。

圖7 歸一等效差量函數(shù)?S/S隨氣體濃度及尾氣溫度的變化關(guān)系

圖8(a)所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的等效差量圖像與參考圖像的比值圖像。利用給出的比值與濃度的函數(shù)關(guān)系，很容易得到尾氣污染物的濃度圖像（圖8(b)）。

圖8 (a)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的?S/S比值圖像；(b)反演得到的尾氣污染物的濃度圖像

2.2燃燒診斷

先進(jìn)的燃燒診斷技術(shù)可以有效促進(jìn)能源、環(huán)境、冶金、交通、火力發(fā)電、航空航天等行業(yè)的發(fā)展。利用燃燒診斷技術(shù)實(shí)時(shí)獲取燃燒系統(tǒng)的工作狀況，是實(shí)現(xiàn)燃料高效利用、減少污染排放的重要途徑，對(duì)于落實(shí)我國(guó)的環(huán)保政策與節(jié)能計(jì)劃有重要意義。先進(jìn)燃燒系統(tǒng)的研制，及其運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，也依賴于其燃燒場(chǎng)信息的獲取，關(guān)鍵燃燒參數(shù)在線測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成為制約火電機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題之一。航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，也使得發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)診斷與性能評(píng)估受到越來越多的關(guān)注，燃燒流場(chǎng)參數(shù)的測(cè)量對(duì)于改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、提高燃燒效率、提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能至關(guān)重要，而發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)存在強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)干擾、強(qiáng)白發(fā)光等特點(diǎn)，給發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒診斷帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此，改進(jìn)和革新燃燒流場(chǎng)測(cè)量手段，對(duì)于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、提高燃燒系統(tǒng)安全性、提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能有重要意義。

磁致旋光型分子濾光器是利用順磁性量子體系的Faraday旋光效應(yīng)，結(jié)合高抑制比偏振器件實(shí)現(xiàn)濾光效果的，因而兼具高光譜分辨力（GHz）及高背景光譜抑制能力（10-5），應(yīng)用于復(fù)雜多變、強(qiáng)白發(fā)光強(qiáng)干擾的燃燒診斷領(lǐng)域，可有效提高測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量靈敏度、抗干擾能力及系統(tǒng)穩(wěn)定性。2018年，中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所的武魁軍等人在國(guó)際上率先開展了分子濾光成像技術(shù)在燃燒診斷領(lǐng)域的應(yīng)用，并成功實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜燃燒環(huán)境下對(duì)單一組分的高空間分辨、高時(shí)間分辨成像。

磁致旋光型分子濾光紅外成像裝置如圖9所示，包括燃燒裝置、分子濾波器、紅外成像系統(tǒng)。CH4和NO預(yù)混合流過麥克納平焰爐，火焰發(fā)射的紅外輻射信號(hào)通過分子濾波器進(jìn)行濾除背景氣體輻射信號(hào)后；NO氣體的輻射信號(hào)通過光學(xué)鏡頭和紅外窄帶濾波片被紅外熱像儀采集。

圖9 磁致旋光型分子濾光成像裝置圖

NO的基頻躍遷在5.2um波段，當(dāng)燃燒系統(tǒng)充入NO氣體時(shí)，NO分子由于高溫作用會(huì)在5.5um處產(chǎn)生紅外輻射。但是由于燃燒系統(tǒng)的燃料是CH4，而CH4燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的CO2和H2O，H2O分子在高溫情況下也會(huì)在5.2um波段發(fā)出很強(qiáng)的紅外輻射，NO和H2O輻射產(chǎn)生的紅外信號(hào)會(huì)透過紅外濾波片在紅外相機(jī)的焦平面上同時(shí)成像。因此，單純利用窄帶濾波技術(shù)，無法避開H20的影響獲得純的NO圖像。

磁致旋光型分子濾光成像器件采用與目標(biāo)中被測(cè)氣體種類相同的氣體分子（即NO）作為工作物質(zhì)，透射譜與目標(biāo)光譜頻率嚴(yán)格匹配，且透射頻率穩(wěn)定，可以準(zhǔn)確提取濾波器透過帶內(nèi)的所有信號(hào)光譜，并抑制吸收線之間以及之外的背景噪聲，因而可以獲得純的NO圖像，且不受H2O的紅外輻射影響。分濾波器過濾后NO圖像如圖10所示，當(dāng)沒有NO通入時(shí)，紅外相機(jī)上沒有圖像產(chǎn)生；而當(dāng)有NO通入時(shí)，紅外相機(jī)上會(huì)產(chǎn)生清晰的火焰圖像，因而可以證明該圖像完全是由NO分子的紅外信號(hào)產(chǎn)生，沒有H2O的輻射影響。

圖10 磁致旋光型分子濾光成像器件過濾后NO圖像

該對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：磁致旋光型分子濾光成像器件的高光譜分辨能力（GHz）、高光學(xué)穩(wěn)定性，在燃燒診斷中展現(xiàn)出極佳的微量成分識(shí)別能力，其視場(chǎng)角大（約12?），能夠?qū)θ紵鹧嬷械腘O氣體很好地成像，且其背景抑制能力極強(qiáng)（高達(dá)5x10-5），可以確保NO圖像不受燃燒系統(tǒng)中氣體干擾成分（如H2O）紅外輻射的影響。

2.3星載風(fēng)溫遙感

空間天氣數(shù)值預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性依賴于描述大氣初始狀態(tài)的輸入數(shù)據(jù)（其中基本的大氣模型變量參數(shù)包括：水平風(fēng)場(chǎng)、溫度、濕度和表面壓力）和預(yù)測(cè)大氣時(shí)空演變的計(jì)算模型。目前大氣模型的完善和運(yùn)算能力的發(fā)展已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了大氣參數(shù)觀測(cè)的技術(shù)水平，因此預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性主要受限于大氣環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取。風(fēng)場(chǎng)和溫度信息是表征大氣環(huán)境的兩個(gè)極為重要的氣象參數(shù)。衛(wèi)星遙感探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)溫度場(chǎng)不受地理?xiàng)l件和天氣情況限制，可進(jìn)行全球尺度全天候遙感觀測(cè)。然而在光學(xué)遙感領(lǐng)域，星載大氣風(fēng)場(chǎng)及溫度場(chǎng)探測(cè)是最具挑戰(zhàn)性，同時(shí)也是最前沿性的技術(shù)之一，因?yàn)樗鼘?duì)光譜分辨率、空間分辨率、時(shí)間分辨率和光學(xué)穩(wěn)定性的要求都非常高。

國(guó)際上的頂級(jí)科研單位主要采用臨邊觀測(cè)模式下高分辨率的成像光譜儀測(cè)量氣輝的多普勒頻移和展寬獲取大氣風(fēng)溫信息。1991年，搭載于上層大氣研究衛(wèi)星UARS上的WINDII利用Michelson干涉儀探測(cè)中高層大氣（80-300km）的大氣風(fēng)場(chǎng)信息，測(cè)風(fēng)精度約3-5m/s；共同搭載的HRDI利用Fabry-Perot干涉儀探測(cè)同溫層（10-40km）到中間層和低熱層（50-120km）的大氣風(fēng)場(chǎng)信息，測(cè)風(fēng)誤差約3-5m/s；2001年，搭載于TIMED衛(wèi)星上的TIDI利用Fabry -Perot干涉儀對(duì)中間層和低熱層（50-120km）范圍內(nèi)的大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，測(cè)風(fēng)誤差約3m/S。WINDII和HIDI分別于1997及2005年停止服役，目前能夠在軌運(yùn)行的測(cè)風(fēng)載荷只有TIDI。這些成像光譜儀為獲取氣輝光譜的頻移信息，對(duì)光譜分辨率的要求極高，因此研制難度較大。

2011年．GATS，Inc．在美國(guó)國(guó)家航空航天局的資助下提出了多普勒調(diào)制型分子濾光成像的星載大氣風(fēng)場(chǎng)溫度場(chǎng)遙感技術(shù)方案（DWTS）。其原理是利用衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移效應(yīng)使分子濾光器對(duì)大氣氣輝輻射光譜實(shí)現(xiàn)光譜掃描，所獲取的多普勒調(diào)制信號(hào)包含有大氣光譜的頻移及展寬信息，對(duì)其解析，可反演得到大氣風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)。

2015年，中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所與中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所在國(guó)內(nèi)率先開展了多普勒調(diào)制型分子濾光成像方法的星載大氣風(fēng)場(chǎng)溫度場(chǎng)遙感技術(shù)，完成全鏈路系統(tǒng)仿真、光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、誤差分析與反演算法研究。分子濾光風(fēng)溫探測(cè)載荷的光機(jī)結(jié)構(gòu)如圖11所示。該儀器以臨邊觀測(cè)模式在軌運(yùn)行，視場(chǎng)角20x20，觀測(cè)高度覆蓋范圍0-300km，其有效光學(xué)口徑為5cm、焦距為10cm。以NO及CO，為工作物質(zhì)的兩個(gè)分子濾光器置于光路最前端，經(jīng)其濾光后的大氣輻射信號(hào)在光學(xué)組件的傳遞下成像于光路末端的紅外探測(cè)器，為消除大氣背景輻射光的影響，N0及CO2通道分別配備中心波長(zhǎng)為5.4um及4.4um的窄帶紅外濾光片。

圖11 基于多普勒調(diào)制型分子濾光成像方法的星載大氣風(fēng)場(chǎng)溫度場(chǎng)遙感載荷

多普勒調(diào)制型分子濾光星載大氣風(fēng)場(chǎng)溫度場(chǎng)遙感載荷的探測(cè)精度如圖12所示。其中NO通道在20-50km及100-200km的高度范圍內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)精度約1-2m/s，溫度探測(cè)精度優(yōu)于1K，CO2通道在50-100km高度范圍內(nèi)風(fēng)溫探測(cè)精度與NO通道大致相同。將兩通道信號(hào)聯(lián)合反演，可獲取20-200km高度范圍的高精度大氣風(fēng)場(chǎng)及溫度場(chǎng)廓線信息。由于該儀器工作在中紅外波段，因此，具有全天時(shí)探測(cè)能力，且晝夜探測(cè)精度相當(dāng)。

圖12 分子濾光星載風(fēng)溫探測(cè)精度

3技術(shù)特點(diǎn)與適用性

差量吸收型、磁致旋光型、多普勒調(diào)制型三種分子濾光成像技術(shù)因工作機(jī)理不同而具有獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)。雖然三種均可在高光譜分辨條件下實(shí)現(xiàn)濾光并都具有極好的成像能力，但由于工作原理及技術(shù)特點(diǎn)不同，其工程實(shí)用性也存在很大差異，具體表現(xiàn)為：

（1）差量吸收型分子濾光器是利用分子對(duì)信號(hào)光的差量吸收作用實(shí)現(xiàn)濾光效果的，因此實(shí)用性最廣，但是其帶間抑制能力較差，探測(cè)精度及靈敏度比較受限，且存在紅外相機(jī)容易飽和的問題，因此，差量吸收型分子濾光器一般適用于氣體泄漏檢測(cè)、污染成像監(jiān)測(cè)、氣體濃度成像等領(lǐng)域；

（2）磁致旋光型分子濾光器的工作原理是順磁性量子體系的Faraday旋光效應(yīng)，因此要求工作物質(zhì)需滿足順磁條件并具有顯著的Zeeman分裂能力，且由于該類型濾光器需配備磁體及成對(duì)偏振片方可工作，因此在視場(chǎng)角方面稍有受限，但其帶間抑制能力極高（約10-5），因此在燃燒成像診斷領(lǐng)域表現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性；

（3）多普勒調(diào)制型分子濾光器是利用衛(wèi)星平臺(tái)的高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)濾光效果的，因此只能在衛(wèi)星平臺(tái)工作，但該類型分子濾光器可對(duì)目標(biāo)光譜進(jìn)行譜型掃描，光譜分辨率最高（約MHz），因而能夠測(cè)量光譜的多普勒頻移及展寬，從而獲取大氣的風(fēng)場(chǎng)及溫度場(chǎng)廓線信息。

4結(jié)論

分子濾光器是一種具有梳狀離散透射譜型的濾波器件，其效果是“光學(xué)”的，機(jī)理卻是“量子”的。分子濾光紅外成像技術(shù)的提出與發(fā)展為光電探測(cè)系統(tǒng)在時(shí)間分辨率、空間分辨率、光譜分辨率和光學(xué)穩(wěn)定性方面實(shí)現(xiàn)完美統(tǒng)一提供了新的解決途徑。得益于分子濾光器件固有的光譜匹配能力、良好的背景光譜抑制能力以及超高精度的光譜分辨能力，分子濾光紅外成像技術(shù)在光電探測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性。文中首先給出了差量吸收型、磁致旋光型及多普勒調(diào)制型三類分子濾光成像技術(shù)的工作機(jī)理，并對(duì)其透射譜理論模型進(jìn)行了深入闡述；在此基礎(chǔ)上結(jié)合研究團(tuán)隊(duì)相關(guān)工作，系統(tǒng)性地介紹了三類分子濾光成像技術(shù)在機(jī)動(dòng)車尾氣遙感監(jiān)測(cè)、燃燒診斷以及星載大氣風(fēng)場(chǎng)溫度場(chǎng)遙感領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展情況：最后在進(jìn)一步比較三類分子濾光方法各自不同的工作機(jī)理及技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，討論了其技術(shù)優(yōu)越性與局限性，并對(duì)三者的工程適用性進(jìn)行了探討。作為一種建立在量子躍遷基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)濾光成像的新型光電器件，分子濾光紅外成像技術(shù)的工作機(jī)理亟待更深層次的挖掘，其在光電探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用也才剛剛開始。隨著理論研究的進(jìn)一步深化及工程水平的不斷提高，分子濾光紅外成像技術(shù)必將在更加廣泛、更加前沿的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。