1.1　光学遥感技术

遥感技术具有监测范围广、速度快、成本低，且便于进行长期的动态监测等优势，还能发现有时用常规方法难以揭示的污染源及其扩散的状态，它不但可以快速、实时、动态、省时省力地监测大范围的大气环境变化和大气环境污染，也可以实时、快速跟踪和监测突发性大气环境污染事件的发生、发展，以便及时制定处理措施，减少大气污染造成的损失。因此，遥感监测作为大气环境管理和大气污染控制的重要手段之一，正发挥着不可替代的作用。

大气环境遥感监测技术按其工作方式可分为主动式遥感监测和被动式遥感监测。

①主动式遥感监测是指由遥感探测仪器发出波束、次波束与大气物质相互作用而产生回波，通过检测这种回波而实现对大气成分的探测。

②被动式遥感监测主要依靠接收大气自身所发射的红外光波或微波等辐射而实现对大气成分的探测。

根据遥感平台的不同，大气环境遥感监测又可分为地基遥感、天基和空基遥感。

①地基遥感以地面为主要遥感平台。

②天基和空基遥感是以卫星、宇宙飞船、飞机和高空气球等为遥感平台。

大气环境地基遥感监测包括主动遥感和被动遥感两种。其中主动遥感主要是激光雷达，通过发射不同波长的激光，接收激光的后向散射信号，获得气溶胶的消光系数信息；被动遥感是接收经过大气成分吸收或散射的自然光（如太阳光），利用不同成分的特征吸收来探测大气成分信息。典型的主动式大气遥感探测仪器有20世纪40年代发明的微波气象雷达、60年代发明的大气探测激光雷达等，而被动式遥感仪器有地基被动差分吸收光谱仪、地基傅里叶变换红外光谱仪等。

环境光学监测技术主要结合了环境科学、大气光学、光谱学等学科，形成了以差分光学吸收光谱（DOAS）技术、可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术、傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术、非分光红外（NDIR）技术、激光雷达技术、光散射技术、荧光光谱技术、激光诱导击穿光谱（LIBS）技术、光声光谱技术等为主体的环境光学监测技术体系（见图1-2），以监测大气成分和气溶胶、大气污染源、水质和水污染源以及固体废弃物和土壤等主要环境要素为目标，实现多空间尺度、多时间尺度、多参数的环境污染物定量测量和分析的目的。环境光学监测技术具有实时、动态、快速、非接触监测等特点，不仅可以获取痕量瞬变物种的时空分布信息，而且可以搭载在遥感平台上实现区域污染的实时监测，对环境要素开展机理研究、关键成分源解析、定性定量化表征分析等，为环境污染的诊断、来源确定及预测预警提供技术手段。

图1-2　环境光学监测技术基本分类图

自1960年世界上第一台激光器问世之后，激光技术便被迅速地应用于大气探测。1962年，意大利学者使用第一台红宝石激光雷达探测了80～140km高层大气中钠离子的分布。1963年美国斯坦福研究所研制了用于对流层气溶胶探测的激光雷达。利用激光散射光进行颗粒物浓度和粒径等的监测的一系列先进技术得到了迅速发展。20世纪70年代，美国科学家Hinkley和加拿大科学家Reid等提出可调谐半导体激光吸收光谱技术，并逐渐成为非常灵敏和常用的痕量气体监测技术。20世纪80年代，德国海德堡大学的Platt教授提出了差分光学吸收光谱，该技术很快被广泛应用于大气环境监测。与此同时，傅里叶变换红外光谱仪逐步替代传统光栅型光谱仪成为红外光谱分析的主要手段，并应用于环境监测。随后，更多的光学和光谱学技术成功应用于环境监测领域。20世纪90年代以来，中国科学院安徽光学精密机械研究所等单位立足国际前沿，瞄准国家解决环境问题的重大需求，积极开展环境监测技术新原理、新方法和环境监测仪器技术集成等环境高新技术研究，先后自主研发了“机动车尾气遥测车”“城市空气质量连续自动监测系统”“烟气排放连续自动监测系统”“气溶胶激光雷达”等系列环境光学监测关键技术设备，部分科研成果成功实现产业化，为深入探讨区域大气污染防护和治理提供了新的监测技术和手段。