隨著紅外成像技術(shù)對時間分辨率、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，依靠分子能級躍遷對光波長的分辨實現(xiàn)選擇性透射，其效果是“光學(xué)”的，機理是“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)的工作機理與理論模型，結(jié)合研究團隊相關(guān)工作，分別介紹了差量吸收型分子濾光在機動車尾氣遙感監(jiān)測、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)場溫度場遙感領(lǐng)域的應(yīng)用，最后分析了三種機理濾光方法的技術(shù)特點與適用性。

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，紅外探測技術(shù)的應(yīng)用愈加廣泛，在污染監(jiān)測、大氣遙感、森林防火、天文觀測、氣體泄漏檢測以及目標識別等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

由于分子的特征光譜（即分子振動一轉(zhuǎn)動能級躍遷頻率）主要集中在紅外波段，因此，紅外探測技術(shù)在朝向高時間分辨與高空間分辨發(fā)展的同時，也在極力追求高光譜分辨。但對于傳統(tǒng)光學(xué)手段，時間分辨、空間分辨及光譜分辨，三者存在嚴重的相互制約關(guān)系，無法同時滿足。如紅外F-P干涉儀可以實現(xiàn)很高的光譜分辨率，準確探測氣體濃度，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)通常采用機械掃描的方式獲取空間圖像，因而在時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)實情況。如何實現(xiàn)時間分辨率、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，是紅外探測領(lǐng)域長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，依靠分子能級躍遷對光波長的分辨能力實現(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、溫度等環(huán)境因素影響小），而且視場角大（>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)的工作機理及其應(yīng)用。結(jié)合研究團隊在分子濾光紅外成像技術(shù)領(lǐng)域的研究工作，對差量吸收型、磁致旋光型及多普勒調(diào)制型三種機理的分子濾光成像技術(shù)的基本原理進行闡述，介紹該技術(shù)在機動車尾氣遙感監(jiān)測、燃燒診斷領(lǐng)域及星載大氣風(fēng)場溫度場遙感領(lǐng)域的應(yīng)用進展情況，并分析三種機理濾光方法的技術(shù)特點與適用性，并對存在的主要問題及發(fā)展趨勢進行探討。

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結(jié)合，實現(xiàn)光譜分辨率、空間分辨率、時間分辨率和光學(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，采用同種分子來準確提取濾光片透過帶內(nèi)的所有信號光譜，并抑制吸收線之間以及之外的背景噪聲。由于工作物質(zhì)采用與目標中被測氣體種類相同的氣體分子，因此透射譜與目標光譜頻率嚴格匹配，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)的工作壓強或分子氣室長度，控制分子氣體對信號光和背景光的吸收，從而實現(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、氣室長度、溫度、壓強等工作條件，使信號光的偏振方向旋轉(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的高速運動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)對目標輻射光譜進行譜型掃描而實現(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信號光的吸收作用實現(xiàn)濾光效果的，一般由兩套分子吸收氣室組成，通過兩套氣室對接收光強的吸收差異實現(xiàn)濾光目的，其基本結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。兩套氣室一般會充入相同種類的氣體，但是會在氣室長度（公式1）或氣室壓強上（公式2）有所區(qū)別，使得兩氣室中的分子氣體對信號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、藍線所示為強吸收泡的吸收譜型，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，兩者的差量信號只含有信號信息，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)目標氣體的濃度；S（T）為溫度T下的分子譜線強度；LL及LS分別為長程吸收氣室（L）及短程吸收氣室（S）的氣室長度；Φ（v-v0）為吸收線型。

壓強調(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置于軸向磁場中的順磁性分子氣室和兩個正交的偏振器組成，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的氣體分子中傳輸時，其偏振方向相對于入射時發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，旋光角度與順磁性分子濃度、分子氣室長度、軸向磁場強度及入射光的波長等因素有關(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發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋過的角度Φ與氣室長度L成正比。

式中：x為色散線形函數(shù)，其下標分別代指左旋（L）及右旋（R）圓偏振光；Φ為旋光角度；SM”M’為磁子能級M”-M’躍遷的譜線強度；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為分子氣室長度。

考慮順磁分子對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附近（即0 GHz位置），旋光角度接近90?，此時分子濾光器的透過率達到最大值，約60%；而在遠離吸收譜線的波段，旋光角度為0，此時，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)星平臺的高速運動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，使分子濾光器的吸收譜線對大氣中的氣輝輻射光譜進行譜型掃描，得到氣輝光譜的頻移信息及展寬信息進而反演獲取大氣風(fēng)場及溫度場的濾光成像技術(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的像元上對應(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）信號也不相同。由于DIP信號是通過對分子濾光器進行光譜的多普勒調(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)為不同視場角對應(yīng)的經(jīng)多普勒調(diào)制吸收后的大氣輻射光譜信號，圖4(f)為各視場像元獲得的DIP信號。

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)用進展

分子濾光紅外成像技術(shù)由于采用與被測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、靈敏度高、工作穩(wěn)定可靠、環(huán)境穩(wěn)定性好、可成像、視場角大等優(yōu)點，在光電探測領(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。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)特點及實用性。差量吸收型分子濾光器的普適性最廣泛，可應(yīng)用于機動車尾氣遙感等氣體污染監(jiān)測領(lǐng)域，磁致旋光型分子濾光器的光譜抑制能力最強，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，適合探測大氣的風(fēng)場及溫度場信息。

2.1機動車尾氣遙感監(jiān)測

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

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

2018年，中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所的武魁軍等人在國際上率先提出將分子濾光紅外成像技術(shù)應(yīng)用于機動車尾氣遙感監(jiān)測的方案。移動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)，與目標輻射譜的譜線結(jié)構(gòu)完全匹配，從而有效濾除背景光，實現(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度。

基于分子濾光紅外成像技術(shù)的移動污染源組分濃度探測系統(tǒng)采用差量吸收型分子濾光，系統(tǒng)由兩個光譜通道組成，一個信號通道和一個參考通道，如圖5所示。兩個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，信號通道前端的分子氣室中充入與被測氣體相同成分的氣體，其壓強、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，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)的移動污染源組分濃度探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

參考通道的光譜響應(yīng)可以看作參考氣室窗片、成像光學(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；而信號通道的光譜響應(yīng)需要在參考通道的基礎(chǔ)上考慮信號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。可以分別表述為：

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受被測氣體濃度影響很大，而透射信號通道的波長幾乎不受測試氣體濃度的影響。因此兩者的等效差量透射光譜函數(shù)對被測氣體濃度十分敏感。

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

式中：AΩξ為移動污染源組分濃度探測系統(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?？梢钥闯觯瑲w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)，因此只要測定?S/S就可以準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)所示為實驗測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)實驗測得的?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

先進的燃燒診斷技術(shù)可以有效促進能源、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)實時獲取燃燒系統(tǒng)的工作狀況，是實現(xiàn)燃料高效利用、減少污染排放的重要途徑，對于落實我國的環(huán)保政策與節(jié)能計劃有重要意義。先進燃燒系統(tǒng)的研制，及其運行的安全性和經(jīng)濟性，也依賴于其燃燒場信息的獲取，關(guān)鍵燃燒參數(shù)在線測量技術(shù)已經(jīng)成為制約火電機組優(yōu)化運行技術(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)動機燃燒流場診斷與性能評估受到越來越多的關(guān)注，燃燒流場參數(shù)的測量對于改進發(fā)動機設(shè)計、提高燃燒效率、提升發(fā)動機性能至關(guān)重要，而發(fā)動機內(nèi)部流場存在強振動、強干擾、強白發(fā)光等特點，給發(fā)動機燃燒診斷帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此，改進和革新燃燒流場測量手段，對于實現(xiàn)節(jié)能減排、提高燃燒系統(tǒng)安全性、提升發(fā)動機性能有重要意義。

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、強白發(fā)光強干擾的燃燒診斷領(lǐng)域，可有效提高測量系統(tǒng)的測量靈敏度、抗干擾能力及系統(tǒng)穩(wěn)定性。2018年，中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所的武魁軍等人在國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，并成功實現(xiàn)了在復(fù)雜燃燒環(huán)境下對單一組分的高空間分辨、高時間分辨成像。

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)射的紅外輻射信號通過分子濾波器進行濾除背景氣體輻射信號后；NO氣體的輻射信號通過光學(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，當燃燒系統(tǒng)充入NO氣體時，NO分子由于高溫作用會在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燃燒會產(chǎn)生大量的CO2和H2O，H2O分子在高溫情況下也會在5.2um波段發(fā)出很強的紅外輻射，NO和H2O輻射產(chǎn)生的紅外信號會透過紅外濾波片在紅外相機的焦平面上同時成像。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中被測氣體種類相同的氣體分子（即NO）作為工作物質(zhì)，透射譜與目標光譜頻率嚴格匹配，且透射頻率穩(wěn)定，可以準確提取濾波器透過帶內(nèi)的所有信號光譜，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，當沒有NO通入時，紅外相機上沒有圖像產(chǎn)生；而當有NO通入時，紅外相機上會產(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

該對比實驗結(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別能力，其視場角大（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（高達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)報的準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、溫度、濕度和表面壓力）和預(yù)測大氣時空演變的計算模型。目前大氣模型的完善和運算能力的發(fā)展已遠遠超過了大氣參數(shù)觀測的技術(shù)水平，因此預(yù)報的準確性主要受限于大氣環(huán)境參數(shù)的實時獲取。風(fēng)場和溫度信息是表征大氣環(huán)境的兩個極為重要的氣象參數(shù)。衛(wèi)星遙感探測大氣風(fēng)場溫度場不受地理條件和天氣情況限制，可進行全球尺度全天候遙感觀測。然而在光學(xué)遙感領(lǐng)域，星載大氣風(fēng)場及溫度場探測是最具挑戰(zhàn)性，同時也是最前沿性的技術(shù)之一，因為它對光譜分辨率、空間分辨率、時間分辨率和光學(xué)穩(wěn)定性的要求都非常高。

國際上的頂級科研單位主要采用臨邊觀測模式下高分辨率的成像光譜儀測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干涉儀探測中高層大氣（80-300km）的大氣風(fēng)場信息，測風(fēng)精度約3-5m/s；共同搭載的HRDI利用Fabry-Perot干涉儀探測同溫層（10-40km）到中間層和低熱層（50-120km）的大氣風(fēng)場信息，測風(fēng)誤差約3-5m/s；2001年，搭載于TIMED衛(wèi)星上的TIDI利用Fabry -Perot干涉儀對中間層和低熱層（50-120km）范圍內(nèi)的大氣風(fēng)場進行探測，測風(fēng)誤差約3m/S。WINDII和HIDI分別于1997及2005年停止服役，目前能夠在軌運行的測風(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．在美國國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)場溫度場遙感技術(shù)方案（DWTS）。其原理是利用衛(wèi)星運動產(chǎn)生的多普勒頻移效應(yīng)使分子濾光器對大氣氣輝輻射光譜實現(xiàn)光譜掃描，所獲取的多普勒調(diào)制信號包含有大氣光譜的頻移及展寬信息，對其解析，可反演得到大氣風(fēng)場和溫度場。

2015年，中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所與中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所在國內(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)場溫度場遙感技術(shù)，完成全鏈路系統(tǒng)仿真、光機結(jié)構(gòu)設(shè)計、誤差分析與反演算法研究。分子濾光風(fēng)溫探測載荷的光機結(jié)構(gòu)如圖11所示。該儀器以臨邊觀測模式在軌運行，視場角20x20，觀測高度覆蓋范圍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在光學(xué)組件的傳遞下成像于光路末端的紅外探測器，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)場溫度場遙感載荷

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

圖12 分子濾光星載風(fēng)溫探測精度

3技術(shù)特點與適用性

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)因工作機理不同而具有獨特的技術(shù)特點。雖然三種均可在高光譜分辨條件下實現(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)特點不同，其工程實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信號光的差量吸收作用實現(xiàn)濾光效果的，因此實用性最廣，但是其帶間抑制能力較差，探測精度及靈敏度比較受限，且存在紅外相機容易飽和的問題，因此，差量吸收型分子濾光器一般適用于氣體泄漏檢測、污染成像監(jiān)測、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偏振片方可工作，因此在視場角方面稍有受限，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)星平臺的高速運動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)實現(xiàn)濾光效果的，因此只能在衛(wèi)星平臺工作，但該類型分子濾光器可對目標光譜進行譜型掃描，光譜分辨率最高（約MHz），因而能夠測量光譜的多普勒頻移及展寬，從而獲取大氣的風(fēng)場及溫度場廓線信息。

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)展為光電探測系統(tǒng)在時間分辨率、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)的工作機理，并對其透射譜理論模型進行了深入闡述；在此基礎(chǔ)上結(jié)合研究團隊相關(guān)工作，系統(tǒng)性地介紹了三類分子濾光成像技術(shù)在機動車尾氣遙感監(jiān)測、燃燒診斷以及星載大氣風(fēng)場溫度場遙感領(lǐng)域的應(yīng)用進展情況：最后在進一步比較三類分子濾光方法各自不同的工作機理及技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，討論了其技術(shù)優(yōu)越性與局限性，并對三者的工程適用性進行了探討。作為一種建立在量子躍遷基礎(chǔ)上實現(xiàn)濾光成像的新型光電器件，分子濾光紅外成像技術(shù)的工作機理亟待更深層次的挖掘，其在光電探測領(lǐng)域的應(yīng)用也才剛剛開始。隨著理論研究的進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。