近日，厦门大学海洋与地球学院近海海洋环境科学国家重点实验室上官明佳教授团队在Optics Letters上发表了题为“High-range-resolution and long-distance CO₂ profiling using a single-photon differential absorption lidar”的研究成果。该研究通过融合超导纳米线单光子探测技术与新型路径积分反演算法，成功构建了一套具备近8 km探测能力、30 m空间分辨率与5 min时间分辨率的高性能二氧化碳激光雷达系统。该系统在外场实验中表现优异，反演精度较传统方法显著提升，为全球碳循环监测、城市排放评估及大气边界层研究提供了可靠的技术手段。

研究背景：

二氧化碳（CO₂）作为最主要的温室气体，其浓度变化直接影响全球气候系统。高时空分辨率的CO₂垂直分布信息对于揭示陆地-大气碳交换过程、追踪人为排放源、验证卫星遥感数据及优化气候模型至关重要。传统CO₂观测手段如地面站点、卫星遥感和飞机采样，在垂直分辨率、连续观测能力或覆盖范围上存在局限。激光雷达技术因其高精度、高时空连续性和良好的大气穿透能力，被视为实现CO₂立体监测的理想工具。

然而，现有激光雷达系统在远距离探测与高空间分辨率之间存在固有矛盾：为提升探测距离，常选用吸收较弱的CO₂谱线，导致信号差异小、噪声敏感；而提高分辨率则需缩短积分区间，进一步降低信噪比。此前，国际上报导的最优系统在6 km范围内的分辨率仍停留在约120 m水平，难以满足边界层精细监测的需求。

技术突破与系统创新：

该研究从硬件架构与反演算法两个层面协同创新，实现了探测性能的跨越式提升：

1.单光子高效探测系统：研究团队采用超导纳米线单光子探测器（SNSPD）作为接收核心，其具备高量子效率（~40%）、低暗计数率（<100 cps）、无后脉冲效应及高饱和计数率等优势，显著提升了系统在远距离下的信号提取能力。结合脉冲激光发射与高精度时间数字转换器，系统实现了10 km级回波信号的稳定接收。

2.路径积分增强反演算法：该研究提出一种从柱浓度（XICO₂） 反演距离分辨浓度（XCO₂） 的新方法。该算法利用累积的路径光学深度进行反演，相比传统方法中仅使用相邻区间微小信号差异的做法，大幅提升了抗噪声能力与反演稳定性，从而在保证精度的同时将空间分辨率提升至30 m。

图   1   激光雷达的光学布局。 AOM ：声光调制器； EDFA ：掺铒光纤放大器；偏振保持光纤； TDC ：数时转换器。

图   2   采用传统算法与所提算法进行XCO₂曲线反演的工作流程，其中距离分辨率（dR）与时间分辨率（dt）以蓝色高亮显示。

实验设计与外场验证

2025年9月5日至8日，团队在厦门大学翔安校区开展了连续三晚的外场实验。激光雷达系统朝向东南沿海方向，每5 min获取一组水平CO₂廓线数据。

图3(a)显示了时间分辨率为5 min、距离分辨率为1.5 m的激光雷达后向散射剖面，其探测范围延伸至近10 km。图中可见一个明显峰值，对应于远处硬目标的后向散射信号；而在前1 km范围内出现的峰值，则源于光学重叠函数 Q(R) 的影响，该函数在约200 m处逐渐达到100%。得益于极低的系统本底噪声与超导纳米线单光子探测器的暗计数，系统工作在量子极限条件下，此时噪声主要来源于符合泊松统计的光子散粒噪声。为了抑制信号波动，本研究采用了小波去噪进行处理：使用MATLAB中的wden函数，进行五阶sym5小波分解，选取通用阈值（"sqtwolog"），采用软阈值处理，并选用"sin"单尺度噪声估计。去噪后的信号以实线绘制于图3(a)中。图3(b)显示，滤波前后信号的平均差异接近于零，表明该去噪方法在显著提升信噪比的同时，有效保持了原始波形形态。

图   3   (a) 在1.5 m/5 min时空分辨率下，10 km范围内小波滤波前后后向散射信号的对比。(b) 原始信号与滤波信号之间的相对误差。

实验结果显示：系统在8 km范围内稳定输出30 m分辨率的CO₂浓度剖面；夜间大气出现明显的CO₂分层现象，尤其在2–4 km与6–8 km距离处存在浓度高值区，可能与沿海工业排放及交通源相关；此外，与传统反演方法相比，新算法在30 m分辨率下的反演波动显著降低，与地面Picarro观测数据的对比标准偏差仅为10.9 ppm，优于传统方法在300 m分辨率下的结果（38.4 ppm）。

图   4   2025年9月5日至8日期间XICO₂ (a)–(c)夜间时间-距离分布及距离分辨XCO₂ (d)–(f)分布，显示至8 km距离，分辨率为30 m/5 min。

图   5   (a)–(c) 三个夜晚期间，所提出的方法反演得到的XCO₂（dR=30 m）与Picarro的对比结果，同时对比XICO₂（10 km）和传统XCO₂（dR=300 m）。(e)和(f) 所提方法与传统XCO₂相对于Picarro的统计偏差。Lidar_NA和Lidar_TA分别表示新算法与传统算法的反演结果。

该论文的第一作者及通讯作者为上官明佳教授。该研究获量子科学技术创新计划（2021ZD0303102）、国家自然科学基金（42141001）的资助。

论文来源：Mingjia Shangguan, Simin Lin, Xianghui Guo, Jinxian Fang, Guojing Dong. High-range-resolution and long-distance CO₂ profiling using a single-photon differential absorption lidar [J]. Optics Letters, 2026, 51(1): 137-40. https://doi.org/10.1364/OL.585665