基于Scheimpflug原理的连续波单端距离分辨TDLAS传感器实现大气湿度剖面高精度探测

【编辑推荐】本文创新性地将可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）与Scheimpflug原理结合，开发出新型连续波单端距离分辨传感器，突破传统TDLAS仅能获取点/路径平均湿度的局限。采用828 nm分布式布拉格反射器（DBR）激光器和CCD图像传感器，实现斜程1 km范围内绝对偏差0.18 g/m3的高精度测量，为气象气候研究和数值天气预报提供了革命性的湿度剖面探测工具。

　　

Highlight

这项研究通过突破性技术将激光传感推向新维度——我们首次实现了基于普通连续波激光器的千米级距离分辨湿度测量，就像给大气做"CT扫描"般逐层解析水汽分布。相比需要昂贵脉冲激光的差分吸收雷达（DIAL），这套系统造价仅相当于高端气象设备的零头，却能实现媲美无线电探空仪的测量精度（R²=0.996）。

Principle of the range-resolved TDLAS sensor

距离分辨TDLAS传感器的核心原理犹如"光学标尺"：当828 nm分布式布拉格反射器（DBR）激光束在大气中穿行时，水分子会像"贪吃蛇"般选择性吸收特定波长的光子。通过高速扫描激光频率并配合CCD图像传感器捕捉后向散射光，系统能像"剥洋葱"般逐层解析不同距离的吸收信号。特别巧妙的是，Scheimpflug原理的运用使得斜程探测时，散射光斑在探测器上的位置直接对应目标距离，这种几何光学设计让系统摆脱了复杂的时间分辨测量装置。

Slant-path range-resolved humidity sensing

在实际斜程探测实验中，研究团队上演了精彩的"三方会战"：部署在4楼窗台的传感器以45°仰角扫描夜空，10米外的微型气象站充当"地面真相"，而无线电探空仪则提供"黄金标准"垂直剖面数据。令人振奋的是，在-5°C的寒夜中，该系统成功捕捉到边界层内水汽的"波浪式"波动，与探空仪数据的吻合度堪比"双胞胎"（MAE=0.18 g/m³）。蒙特卡洛模拟显示，激光线宽和大气湍流是影响精度的两大"顽敌"。

Conclusion

这项研究如同为大气科学家送上"光学瑞士军刀"：单端架构使设备能像手电筒般简单部署，连续波激光器带来>90%的运行稳定性，而毫米级距离分辨率则让水汽的"微观舞蹈"尽收眼底。该技术不仅填补了传统TDLAS无法空间分辨的空白，更开创了用消费级光学元件实现专业气象探测的新范式——或许不久的将来，每个气象站都能配备这样的"激光湿度眼"。