近红外光因其气体吸收线覆盖丰富、太阳光辐射相对紫外和可见光较弱、光电器件成熟等因素，成为了气体遥感的重点研究和应用的光学波段。单光子探测技术不仅具有极灵敏的激光大气后向散射信号探测能力，还为近红外气体遥感系统在多气体探测、系统小型化和稳定性方面提供了新的发展方向。
据麦姆斯咨询报道，南京信息工程大学的科研团队围绕近红外单光子探测器（SPD）技术在气体遥感领域的应用现状展开综述。介绍了SPD技术的分类和应用；按照气体遥感探测机制，对基于近红外SPD技术的激光雷达进行分类和对比；最后对未来该领域的研究方向进行了展望。相关研究内容以"近红外单光子气体遥感激光雷达及应用（特邀）"为题发表在《光子学报》期刊上。
近红外单光子探测器（SPD）技术分类和比较
SPD是一类能够对极微弱信号（单光子或者数个光子）进行高灵敏探测的设备。常见的SPD类型包括光电倍增管（PMT）、单光子雪崩二极管（SPAD）、超导纳米线单光子探测器（SNSPD）以及频率上转换单光子探测器（UCSPD）等。PMT基于材料的外光电效应，将入射光子转换为光电子，并通过多级倍增实现高增益输出，具有响应速度快、技术成熟等优点，但体积较大且需要高压供电。SPAD依托半导体PN结的雪崩倍增效应，在室温或普通制冷条件下实现单光子探测，该类器件体积小、易集成，但暗计数率和后脉冲效应的影响不可忽略。SNSPD利用超导纳米线在低温下的超导相变实现单光子探测，具有高探测效率、无后脉冲效应及优异的时间分辨率等优势，已被应用于近红外波段气体探测（如CO₂、CH₄、NH₃）、风速以及气溶胶探测等。UCSPD则通过非线性光学过程将近红外光子上转换为可见光，再由可见光探测器进行光电转化，从而实现近红外探测的高灵敏度与低噪声。
近红外单光子气体遥感激光雷达分类
气体遥感技术是一种高效、大范围的监测手段，已成为国内外科研领域的研究热点。欧美发达国家较早布局气体遥感技术，美国国家航空航天局（NASA）、欧洲空间局（ESA）、美国国家标准与技术研究院（NIST）等机构先后发展了多套星载、机载及地基激光雷达系统，用于温室气体与大气污染物的监测。在近红外波段，根据反演原理，将基于单光子探测技术实现大气气体探测的方法分为三类：具有距离分辨的差分吸收激光雷达（DIAL）、无距离分辨但可具有光谱分辨的路径积分吸收激光雷达（IPAL），以及既具有距离分辨又具有光谱分辨的差分吸收光谱激光雷达（DASL）。
差分吸收激光雷达（DIAL）
DIAL是一种基于差分吸收原理的主动光学遥感技术。其原理是在目标气体吸收线附近发射两束或多束不同波长的激光，并接收大气后向散射回波，利用不同波长在传播路径中所经历的吸收差异来反演目标气体浓度。基于DIAL，结合SPD搭建的系统主要应用于温室气体探测，例如CO₂、CH₄、H₂O。
路径积分吸收激光雷达（IPAL）
与DIAL依赖大气后向散射回波获取距离分辨浓度廓线不同，IPAL通常以地表、建筑物或云顶、角反射器等目标反射回波，再反演得到目标气体的路径积分浓度。IPAL按具体实现形式可分为三类技术：一类是基于双波长和多波长的IPDA技术；第二类是基于IPDCS技术；第三类是基于IPSAS技术。IPDA接收来自硬目标或云层的后向散射信号，该信号强度远大于大气气溶胶后向散射回波信号，信噪比更强，因此适合快速远距离柱浓度探测。
差分吸收光谱激光雷达（DASL）
DIAL具备距离分辨的能力，但不具备光谱分辨率；IPAL具备光谱分辨率但没有距离分辨率；而DASL同时具备距离分辨和光谱分辨能力，是气体遥感激光雷达的重要发展方向。
内容来源：MEMS/麦姆斯咨询
