用激光追踪温室气体

面对日益加剧的气候变化，人类社会亟需实时监测并解析全球温室气体的各类排放源与吸收汇。当前的重点任务之一是对人为甲烷排放进行监管与监测。由弗劳恩霍夫激光技术研究所研发的激光系统为此提供了创新解决方案：作为激光雷达（LIDAR）的核心组件，这类系统能以极高的时空分辨率精准测定大气中的温室气体——即便在远距离条件下也能实现全球范围的连续监测。

装有激光雷达系统的直升机已飞行了数万公里，并检查了管道的泄漏情况

2024年的夏天是有记录以来最热的夏天。造成全球变暖的原因是大气中的气体排放，主要是甲烷和二氧化碳。作为一种温室气体，甲烷的活性是二氧化碳的25倍以上。尽管甲烷是如何进入大气层的已基本清楚，但通常并不清楚它是在何时何地以何种程度进入大气层的。因此，精确记录和监测大气中温室气体的浓度非常重要。迄今为止，只能通过被动方式测量来自太空的甲烷，即通过这种气体在大气中吸收的阳光来测量。然后可以根据吸收情况计算出浓度。不过，这种方法只能在白天使用，而且精确度有限。

另外，激光雷达系统可以直接测定甲烷浓度。激光雷达系统使用两个波长在1645nm左右的激光，使测量不受外部因素（如地球表面强烈波动的反射率）的影响。为此，它测量大气对甲烷吸收最大和最小波长的光吸收。通过比较测量值，可以计算出测量路径上空气柱中的甲烷浓度。

利用直升机进行激光雷达测量

激光雷达技术是一种成熟的方法，可用于调查和确定管道排放的甲烷在当地的浓度：天然气中约有85%的甲烷；因此，勘探或运输过程中的每一次泄漏都是甲烷的来源。这种泄漏不仅会对气候造成危害，还会带来严重的爆炸危险，这也是运营商检查管道、压缩机站和其他设施是否有甲烷泄漏的原因。为此，Adlares公司采用了CHARM（甲烷机载远程监控）技术，该技术可在直升机飞越管道上空时测量甲烷浓度。

多年来，研究所的专家们一直致力于完善用于航空航天工业的激光系统的装配

直升机的飞行速度可达180公里/小时，飞行高度为100至150米，由于其每秒1000个测量点的高测量速率，在风速高达24公里/小时的情况下可记录150升/小时的泄漏率。激光雷达系统的光束源由弗劳恩霍夫激光技术研究所的团队开发。第二代CHARM系统包含两个二极管泵浦Nd:YAG激光器，线宽特别窄。Adlares提供的光学参量振荡器可将激光波长从1µm 左右转换到3.3µm的中红外波长。

在此期间，直升机不仅利用激光雷达系统飞行了数万公里的管道，还检查了垃圾填埋场、废水处理厂、煤矿和农场的排放物。该系统非常灵敏，甚至可以测量一头牛的排放量。

利用卫星绘制地球大气层地图

用直升机可以快速检查个别设施，但这种方法成本太高，而且速度太慢，无法在全球范围内寻找甲烷来源。例如，当永久冻土融化时，它会在大片区域内释放出低浓度的甲烷。

因此，德国和法国航天局几年前就计划执行MERLIN任务（甲烷遥感激光雷达任务）。这颗卫星将从大约500公里的高空测量地球大气层中的甲烷浓度并绘制地图。卫星上将搭载一台激光雷达仪器，其激光束源来自弗劳恩霍夫激光技术研究所。MERLIN任务激光雷达仪器的技术是由德国工业公司和研究机构联合设计和开发的。位于德国奥伯法芬霍芬的德国航天中心大气物理研究所（IPA）激光雷达部负责其科学工作。

多年来，弗劳恩霍夫国际激光技术研究所一直在为德国航空航天中心（DLR）、空中客车防务与航天公司、TESAT Spacecom和欧洲航天局等合作伙伴开发这种符合太空标准的激光系统技术。这家位于亚琛的研究所现已为此开发出一套完整的制造技术。以这种方式制造的部件可以承受发射和在太空中运行的压力和应变。

激光雷达系统核心的激光器，必须能够承受高达300g的冲击和高达25g的振动，以及从 -30℃到+50℃的交变热负荷。开发人员还必须尽可能避免使用粘合剂等有机材料，以免污染高纯度镜面。当然，激光器还必须在三年以上的任务期间免维护、无退化地运行。

ADM Aeolus卫星的后继者将使用强大的紫外线激光雷达详细测量地球上空的风廓线

激光雷达：未来的技术

欧空局认为激光雷达系统是一项重要的未来技术，在进一步开发全球天气模型方面具有巨大潜力：首先，激光雷达系统可以极大地改善天气预报，特别是在灾害管理方面。随着气候变化引起的极端天气增多，对早期预警和快速行动的需求也在增加。

其次，随着可再生能源的扩大，对当地风况和日照时数的准确预报需求也在增加。不稳定电源的比例越高，对电网基础设施进行精心管理和控制就变得越重要。通过这种方式，激光雷达系统和弗劳恩霍夫国际技术研究所的研究正在支持欧洲实现净零排放，即到2050年实现温室气体排放的平衡。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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