隨著紅外成像技術對時間分辨率、空間分辨率、光譜分辨率及光學穩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選擇性透射，其效果是“光學”的，機理是“量子”的，為該矛盾的解決提供了新的途徑。基于分子光譜理論，給出了差量吸收型、磁致旋光型及多普勒調制型三類分子濾光成像技術的工作機理與理論模型，結合研究團隊相關工作，分別介紹了差量吸收型分子濾光在機動車尾氣遙感監測、磁致旋光型分子濾光在燃燒診斷以及多普勒調制型分子濾光在星載大氣風場溫度場遙感領域的應用，最后分析了三種機理濾光方法的技術特點與適用性。

0引言

近年來，隨著紅外感光材料和紅外光學材料的迅猛發展，紅外探測技術的應用愈加廣泛，在污染監測、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域發揮著越來越重要的作用。

由于分子的特征光譜（即分子振動一轉動能級躍遷頻率）主要集中在紅外波段，因此，紅外探測技術在朝向高時間分辨與高空間分辨發展的同時，也在極力追求高光譜分辨。但對于傳統光學手段，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系，無法同時滿足。如紅外F-P干涉儀可以實現很高的光譜分辨率，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光譜分辨與空間分辨的完美統一，但是該技術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，傳統光學手段還存在光譜分辨率越高，光學穩定性越差的現實情況。如何實現時間分辨率、空間分辨率、光譜分辨率和光學穩定性之間的完美統一，是紅外探測領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，隆德大學理工學院的Jonas Sandsten等人提出差量吸收型分子濾光成像技術；2011年，GATS. Inc．的Larry L．Gordley等人提出了多普勒調制型分子濾光成像技術；2017年，中國科學院武漢物理與數學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。分子濾光紅外成像技術的提出為該難題的解決提供了一種新的技術途徑。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選擇性透射。分子濾波器的效果雖然是“光學”的，但其工作機理卻是“量子”的。分子濾波器光譜分辨高（GHz）、光學穩定性好（受震動、溫度等環境因素影響小），而且視場角大（>10?），是一種極穩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的工作機理及其應用。結合研究團隊在分子濾光紅外成像技術領域的研究工作，對差量吸收型、磁致旋光型及多普勒調制型三種機理的分子濾光成像技術的基本原理進行闡述，介紹該技術在機動車尾氣遙感監測、燃燒診斷領域及星載大氣風場溫度場遙感領域的應用進展情況，并分析三種機理濾光方法的技術特點與適用性，并對存在的主要問題及發展趨勢進行探討。

1工作原理

分子濾光紅外成像技術將分子濾光與紅外成像有機結合，實現光譜分辨率、空間分辨率、時間分辨率和光學穩定性的有效統一。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，且透射頻率穩定。根據工作方式的不同，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制型三種。三者的主要區別在于濾除背景噪聲的實現方式不同。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，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π／2的角度后被提取，背景光的偏振方向未旋轉而被抑制，從而起到濾光的作用；多普勒調制型分子濾光器是利用所在平臺的高速運動產生的多普勒效應對目標輻射光譜進行譜型掃描而實現濾光效果的。

1.1差量吸收型分子濾光成像技術

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濾光目的，其基本結構如圖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

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。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生了旋轉，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。為了濾除背景光，選擇合適的工作參數，使目標譜線的旋光角度為90?整數倍，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效應導致兩者的衰減及相移有所差異。衰減的差異體現在吸收率的不同，從而形成圓雙色性吸收現象：相差的差異體現在折射率的不同，從而形成圓雙折射效應。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生旋轉，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，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i、j的分子數密度；||2為量子態i及量子態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多普勒調制型分子濾光成像技術

多普勒調制型分子濾光器是利用衛星平臺的高速運動產生的多普勒效應，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場及溫度場的濾光成像技術。

由于衛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的吸收光譜的中心頻率也有所不同，相應的像元上產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所示為多普勒調制型分子濾光成像技術的工作原理圖。圖4(a)為分子濾光器的吸收光譜，圖4(b)~(e)為不同視場角對應的經多普勒調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 多普勒調制型分子濾光成像技術的工作原理圖

2應用進展

分子濾光紅外成像技術由于采用與被測氣體種類相同的氣體分子作為工作物質，具有背景抑制能力強、靈敏度高、工作穩定可靠、環境穩定性好、可成像、視場角大等優點，在光電探測領域展現出傳統光學手段無法比擬的技術優勢。由于工作原理不同，三類分子濾光紅外成像技術具有不同的技術特點及實用性。差量吸收型分子濾光器的普適性最廣泛，可應用于機動車尾氣遙感等氣體污染監測領域，磁致旋光型分子濾光器的光譜抑制能力最強，可應用于燃燒診斷領域，多普勒調制型分子濾光器的光譜分辨率最高，適合探測大氣的風場及溫度場信息。

2.1機動車尾氣遙感監測

機動車污染源已成為影響空氣質量的重要來源。環境保護部2018年6月發布的《2017年中國機動車污染防治年報》顯示，我國已連續八年成為世界機動車產銷第一大國。機動車污染是造成灰霾、光化學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世紀初發展出可調諧激光吸收（TDLAS）及差分吸收（DOAS）遙感監測法實現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測數據離散度較大，導致污染物排放超標認定的準確性較低。

2018年，中國科學院武漢物理與數學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應用于機動車尾氣遙感監測的方案。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，采用傳統的窄帶紅外濾光片技術，難以濾除環境背景干擾，導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，與目標輻射譜的譜線結構完全匹配，從而有效濾除背景光，實現選擇性透射。分子濾光技術能夠最大限度提高尾氣遙感系統的監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的移動污染源組分濃度探測系統采用差量吸收型分子濾光，系統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透鏡、紅外帶通濾光片和紅外焦平面具有相同光學特性和光譜參數。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、濃度等工作參數根據尾氣光譜數據優化設計，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的移動污染源組分濃度探測系統結構示意圖

參考通道的光譜響應可以看作參考氣室窗片、成像光學透鏡和紅外帶通濾光片三者的光譜透射函數在數學上的卷積；而信號通道的光譜響應需要在參考通道的基礎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函數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與成像光學透射函數的卷積；α（v）為信號氣室中工作氣體的光學厚度。因此，兩光譜通道的等效差量光譜響應函數?F可以表述為：

兩光譜通道的光譜響應函數及其等效差量光譜響應函數如圖6所示。

圖6 光譜響應函數及其等效差量光譜響應函數

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，可以表述為：

式中：AΩξ為移動污染源組分濃度探測系統的光電轉換因子。

歸一等效差量函數?S／S可以隨氣體濃度及尾氣溫度的變化關系如圖7所示。可以看出，歸一等效差量函數?S／S只與尾氣濃度有關，而與尾氣溫度無關，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?S/S隨氣體濃度及尾氣溫度的變化關系

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關系，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可以有效促進能源、環境、冶金、交通、火力發電、航空航天等行業的發展。利用燃燒診斷技術實時獲取燃燒系統的工作狀況，是實現燃料高效利用、減少污染排放的重要途徑，對于落實我國的環保政策與節能計劃有重要意義。先進燃燒系統的研制，及其運行的安全性和經濟性，也依賴于其燃燒場信息的獲取，關鍵燃燒參數在線測量技術已經成為制約火電機組優化運行技術發展的瓶頸問題之一。航空航天技術的不斷發展，也使得發動機燃燒流場診斷與性能評估受到越來越多的關注，燃燒流場參數的測量對于改進發動機設計、提高燃燒效率、提升發動機性能至關重要，而發動機內部流場存在強振動、強干擾、強白發光等特點，給發動機燃燒診斷帶來了極大的挑戰。因此，改進和革新燃燒流場測量手段，對于實現節能減排、提高燃燒系統安全性、提升發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，結合高抑制比偏振器件實現濾光效果的，因而兼具高光譜分辨力（GHz）及高背景光譜抑制能力（10-5），應用于復雜多變、強白發光強干擾的燃燒診斷領域，可有效提高測量系統的測量靈敏度、抗干擾能力及系統穩定性。2018年，中國科學院武漢物理與數學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在燃燒診斷領域的應用，并成功實現了在復雜燃燒環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。CH4和NO預混合流過麥克納平焰爐，火焰發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，當燃燒系統充入NO氣體時，NO分子由于高溫作用會在5.5um處產生紅外輻射。但是由于燃燒系統的燃料是CH4，而CH4燃燒會產生大量的CO2和H2O，H2O分子在高溫情況下也會在5.2um波段發出很強的紅外輻射，NO和H2O輻射產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，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，透射譜與目標光譜頻率嚴格匹配，且透射頻率穩定，可以準確提取濾波器透過帶內的所有信號光譜，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生；而當有NO通入時，紅外相機上會產生清晰的火焰圖像，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）、高光學穩定性，在燃燒診斷中展現出極佳的微量成分識別能力，其視場角大（約12?），能夠對燃燒火焰中的NO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圖像不受燃燒系統中氣體干擾成分（如H2O）紅外輻射的影響。

2.3星載風溫遙感

空間天氣數值預報的準確性依賴于描述大氣初始狀態的輸入數據（其中基本的大氣模型變量參數包括：水平風場、溫度、濕度和表面壓力）和預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展已遠遠超過了大氣參數觀測的技術水平，因此預報的準確性主要受限于大氣環境參數的實時獲取。風場和溫度信息是表征大氣環境的兩個極為重要的氣象參數。衛星遙感探測大氣風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。然而在光學遙感領域，星載大氣風場及溫度場探測是最具挑戰性，同時也是最前沿性的技術之一，因為它對光譜分辨率、空間分辨率、時間分辨率和光學穩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溫信息。1991年，搭載于上層大氣研究衛星UARS上的WINDII利用Michelson干涉儀探測中高層大氣（80-300km）的大氣風場信息，測風精度約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）的大氣風場信息，測風誤差約3-5m/s；2001年，搭載于TIMED衛星上的TIDI利用Fabry -Perot干涉儀對中間層和低熱層（50-120km）范圍內的大氣風場進行探測，測風誤差約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制型分子濾光成像的星載大氣風場溫度場遙感技術方案（DWTS）。其原理是利用衛星運動產生的多普勒頻移效應使分子濾光器對大氣氣輝輻射光譜實現光譜掃描，所獲取的多普勒調制信號包含有大氣光譜的頻移及展寬信息，對其解析，可反演得到大氣風場和溫度場。

2015年，中國科學院武漢物理與數學研究所與中國科學院西安光學精密機械研究所在國內率先開展了多普勒調制型分子濾光成像方法的星載大氣風場溫度場遙感技術，完成全鏈路系統仿真、光機結構設計、誤差分析與反演算法研究。分子濾光風溫探測載荷的光機結構如圖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，其有效光學口徑為5cm、焦距為10cm。以NO及CO，為工作物質的兩個分子濾光器置于光路最前端，經其濾光后的大氣輻射信號在光學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 基于多普勒調制型分子濾光成像方法的星載大氣風場溫度場遙感載荷

多普勒調制型分子濾光星載大氣風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的高度范圍內的風場探測精度約1-2m/s，溫度探測精度優于1K，CO2通道在50-100km高度范圍內風溫探測精度與NO通道大致相同。將兩通道信號聯合反演，可獲取20-200km高度范圍的高精度大氣風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 分子濾光星載風溫探測精度

3技術特點與適用性

差量吸收型、磁致旋光型、多普勒調制型三種分子濾光成像技術因工作機理不同而具有獨特的技術特點。雖然三種均可在高光譜分辨條件下實現濾光并都具有極好的成像能力，但由于工作原理及技術特點不同，其工程實用性也存在很大差異，具體表現為：

（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、污染成像監測、氣體濃度成像等領域；

（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，因此要求工作物質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域表現出顯著的優越性；

（3）多普勒調制型分子濾光器是利用衛星平臺的高速運動產生的多普勒效應實現濾光效果的，因此只能在衛星平臺工作，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，從而獲取大氣的風場及溫度場廓線信息。

4結論

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”的，機理卻是“量子”的。分子濾光紅外成像技術的提出與發展為光電探測系統在時間分辨率、空間分辨率、光譜分辨率和光學穩定性方面實現完美統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在光電探測領域展現出顯著的優越性。文中首先給出了差量吸收型、磁致旋光型及多普勒調制型三類分子濾光成像技術的工作機理，并對其透射譜理論模型進行了深入闡述；在此基礎上結合研究團隊相關工作，系統性地介紹了三類分子濾光成像技術在機動車尾氣遙感監測、燃燒診斷以及星載大氣風場溫度場遙感領域的應用進展情況：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特點的基礎上，討論了其技術優越性與局限性，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上實現濾光成像的新型光電器件，分子濾光紅外成像技術的工作機理亟待更深層次的挖掘，其在光電探測領域的應用也才剛剛開始。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必將在更加廣泛、更加前沿的應用領域發揮更加重要的作用。