1.1　光學遙感技術

遙感技術具有監測范圍廣、速度快、成本低，且便于進行長期的動態監測等優勢，還能發現有時用常規方法難以揭示的污染源及其擴散的狀態，它不但可以快速、實時、動態、省時省力地監測大范圍的大氣環境變化和大氣環境污染，也可以實時、快速跟蹤和監測突發性大氣環境污染事件的發生、發展，以便及時制定處理措施，減少大氣污染造成的損失。因此，遙感監測作為大氣環境管理和大氣污染控制的重要手段之一，正發揮著不可替代的作用。

大氣環境遙感監測技術按其工作方式可分為主動式遙感監測和被動式遙感監測。

①主動式遙感監測是指由遙感探測儀器發出波束、次波束與大氣物質相互作用而產生回波，通過檢測這種回波而實現對大氣成分的探測。

②被動式遙感監測主要依靠接收大氣自身所發射的紅外光波或微波等輻射而實現對大氣成分的探測。

根據遙感平臺的不同，大氣環境遙感監測又可分為地基遙感、天基和空基遙感。

①地基遙感以地面為主要遙感平臺。

②天基和空基遙感是以衛星、宇宙飛船、飛機和高空氣球等為遙感平臺。

大氣環境地基遙感監測包括主動遙感和被動遙感兩種。其中主動遙感主要是激光雷達，通過發射不同波長的激光，接收激光的后向散射信號，獲得氣溶膠的消光系數信息；被動遙感是接收經過大氣成分吸收或散射的自然光（如太陽光），利用不同成分的特征吸收來探測大氣成分信息。典型的主動式大氣遙感探測儀器有20世紀40年代發明的微波氣象雷達、60年代發明的大氣探測激光雷達等，而被動式遙感儀器有地基被動差分吸收光譜儀、地基傅里葉變換紅外光譜儀等。

環境光學監測技術主要結合了環境科學、大氣光學、光譜學等學科，形成了以差分光學吸收光譜（DOAS）技術、可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）技術、非分光紅外（NDIR）技術、激光雷達技術、光散射技術、熒光光譜技術、激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術、光聲光譜技術等為主體的環境光學監測技術體系（見圖1-2），以監測大氣成分和氣溶膠、大氣污染源、水質和水污染源以及固體廢棄物和土壤等主要環境要素為目標，實現多空間尺度、多時間尺度、多參數的環境污染物定量測量和分析的目的。環境光學監測技術具有實時、動態、快速、非接觸監測等特點，不僅可以獲取痕量瞬變物種的時空分布信息，而且可以搭載在遙感平臺上實現區域污染的實時監測，對環境要素開展機理研究、關鍵成分源解析、定性定量化表征分析等，為環境污染的診斷、來源確定及預測預警提供技術手段。

圖1-2　環境光學監測技術基本分類圖

自1960年世界上第一臺激光器問世之后，激光技術便被迅速地應用于大氣探測。1962年，意大利學者使用第一臺紅寶石激光雷達探測了80～140km高層大氣中鈉離子的分布。1963年美國斯坦福研究所研制了用于對流層氣溶膠探測的激光雷達。利用激光散射光進行顆粒物濃度和粒徑等的監測的一系列先進技術得到了迅速發展。20世紀70年代，美國科學家Hinkley和加拿大科學家Reid等提出可調諧半導體激光吸收光譜技術，并逐漸成為非常靈敏和常用的痕量氣體監測技術。20世紀80年代，德國海德堡大學的Platt教授提出了差分光學吸收光譜，該技術很快被廣泛應用于大氣環境監測。與此同時，傅里葉變換紅外光譜儀逐步替代傳統光柵型光譜儀成為紅外光譜分析的主要手段，并應用于環境監測。隨后，更多的光學和光譜學技術成功應用于環境監測領域。20世紀90年代以來，中國科學院安徽光學精密機械研究所等單位立足國際前沿，瞄準國家解決環境問題的重大需求，積極開展環境監測技術新原理、新方法和環境監測儀器技術集成等環境高新技術研究，先后自主研發了“機動車尾氣遙測車”“城市空氣質量連續自動監測系統”“煙氣排放連續自動監測系統”“氣溶膠激光雷達”等系列環境光學監測關鍵技術設備，部分科研成果成功實現產業化，為深入探討區域大氣污染防護和治理提供了新的監測技術和手段。