基于机载太赫兹光谱技术的大气污染物实时遥感监测研究

本刊推荐一项创新性研究：为解决传统大气污染物监测技术难以实现实时、远程、多组分检测的难题，研究人员开发了一种搭载于无人飞行系统(UAS)的高分辨率连续波太赫兹(THz-CW)光谱仪。该研究成功实现了对丙酮、甲醇、二氯甲烷等挥发性有机物(VOCs)的空中原位探测与定量分析，证明了无人机平台与THz光谱技术结合在环境监测领域的巨大应用潜力，为大气污染精准防控提供了突破性技术手段。

　　

随着工业化进程加速，大气污染已成为威胁全球公共健康和生态安全的严峻挑战。传统环境监测手段普遍存在时空分辨率不足、响应速度慢、难以覆盖复杂地形区域等局限性，特别是对于挥发性有机化合物(VOCs)等关键污染物的实时监测能力薄弱。当前地面固定站点监测网络无法实现污染源的快速定位与追踪，而卫星遥感技术又受限于空间分辨率和云层干扰。如何突破技术瓶颈，开发能够实现高精度、高灵活性、实时原位监测的创新技术平台，成为环境科学领域亟待解决的核心问题。

在这一背景下，太赫兹(THz)光谱技术展现出独特优势。太赫兹波频段(0.1-10 THz)能够激发大气分子的旋转和振动能级跃迁，产生特征吸收指纹谱，为污染物识别提供"分子身份证"。与传统红外光谱相比，THz波对大气颗粒物、雾、灰尘等干扰因素具有更强的穿透能力，且光子能量极低(1 THz仅4.2 meV)，不会导致分子电离或引燃易燃材料，具备本质安全特性。尽管THz技术在实验室环境中已证明其对多种分子的检测能力，但将其转化为可实地部署、特别是与无人机平台结合的机动式监测系统，仍面临巨大技术挑战。

针对这一技术空白，来自意大利罗马萨皮恩扎大学的研究团队在《Environment International》发表了创新性研究成果。该研究成功开发并验证了全球首套机载太赫兹连续波(THz-CW)光谱监测系统，实现了对大气污染物的无人机平台实时遥感探测。研究人员通过将高分辨率THz-CW激光源与探测器集成于稳定型无人飞行系统(UAS)，建立了可灵活部署的现场光谱分析平台，为空间分辨环境污染物监测提供了全新解决方案。

研究采用多项关键技术方法：首先构建了基于光电混频原理的紧凑型THz-CW光谱系统，通过两个红外分布式反馈激光器(DFB)的外差下转换产生0.1-1.1 THz可调谐辐射；其次设计了抗振动无人机搭载平台(Freefly Alta X)，配备厘米级精度RTK GPS和振动阻尼转子，将典型转子引起的振动降低五倍；第三开发了54 cm长碳纤维采样气室，配备特氟纶THz透射窗口和12 L/min采样泵系统；最后建立了基于希尔伯特变换信号处理算法和多元吸收定量分析模型的数据处理流程。研究团队还建立了完备的THz光谱数据库，包含多种污染物在真空和大气条件下的标准谱图。

在系统设计与集成方面，研究团队成功解决了机载平台的三大核心挑战：重量优化（总重8kg）、振动抑制和稳定性保障。THz辐射通过InGaAs/InP光电导天线产生，由离轴抛物面镜准直，光学元件安装在3D打印的流线型罩内以抵抗飞行中的空气动力。系统采用光纤耦合设计，实现了紧凑化和轻量化，在8kg载荷下可实现25分钟飞行续航。

地面验证阶段研究人员首先在地面站对无人机搭载的THz系统进行了基础性能验证。通过向采样池引入试剂级丙酮(CH₃COCH₃)、甲醇(CH₃OH)、乙腈(CH₃CN)、氨水(NH₄OH)和二氯甲烷(CH₂Cl₂)等纯化合物，获取吸收光谱并与实验室数据库对比。所有测量采用100 MHz光谱分辨率和10 ms积分时间，原始数据通过自定义MATLAB算法处理，采用希尔伯特变换方法提取信号包络，经快速傅里叶变换(FFT)转换至时域滤波后再转换回频域。实验吸收度A(ν)按照比尔-朗伯定律计算，摩尔吸收系数α(ν)通过归一化处理获得，建立了与测量配置无关的本征光谱响应数据库。

飞行验证阶段在成功完成地面验证后，研究团队进行了开创性的飞行测试。首次飞行测试在100米高度进行15分钟飞行，在500.7 GHz频率处获得约1%标准偏差的信号稳定性，与地面测量结果一致，证实了系统在动态飞行条件下的 robustness。随后在不同高度进行了光谱测量，获取的丙酮、甲醇、乙腈、氨和二氯甲烷特征吸收谱线与实验室数据和文献值高度一致，展示了系统在空中准确识别VOCs的能力。特别值得注意的是，二氯甲烷的THz指纹谱是首次与理论预期相匹配的实验研究。

远程采样与定量分析研究最具创新性的环节是采用集成5米采样管和漏斗的远程采样系统，实现了对地面污染源的目标性采样。研究人员制备了丙酮-甲醇-二氯甲烷三元液体混合物置于地面样品架中，在5米飞行高度采集环境空气参考谱后，通过 aspiration 系统将挥发气体吸入采样池。采用多元吸收方法对实验光谱进行拟合，准确识别出三种组分并定量其存在量：丙酮3.64×10^-6 mol、二氯甲烷5.95×10^-4 mol、甲醇8.65×10^-4 mol。

为进一步验证系统复杂性处理能力，研究团队制备了更复杂的五组分混合物（氨、乙腈、丙酮、甲醇和二氯甲烷）。尽管光谱重叠增加，系统仍成功确定了各组分的浓度：氨5.99×10^-2 mol、甲醇1.78×10^-4 mol、二氯甲烷3.46×10^-4 mol、丙酮2.89×10^-4 mol、乙腈2.97×10^-4 mol。定量准确性验证显示，该方法在所有测试案例中重现预期浓度的平均相对误差仅为±2%。

灵敏度与性能评估传感器灵敏度通过吸收峰强度与系统噪声（THz光束阻断时的信号标准偏差σ）的相关性进行评估。在30 ms积分时间和1 m光程长度条件下，估计检测灵敏度范围从～10^-6 M（最强吸收体）到～10^-4 M（最弱吸收体）。浓度检测范围取决于分子固有吸收强度、实验配置和光谱仪动态范围（本系统约100 dB）：对于强吸收体（如丙酮）为10^-6-10^-3 M，弱吸收体（如乙腈）接近10^-4-0.8 M。模拟表明，采用10米多通池配置可进一步提高灵敏度至～10^-7-10^-5 M，添加气体浓缩器后甚至可达10^-11-10^-8 M的VOCs检测灵敏度。

研究结论部分强调，这项工作首次实现了飞行状态下连续波THz对纯污染物及其混合物的特性表征，系统在环境大气条件(T=298 K, P=1 atm)下所有测量均成功完成。研究表明，将THz-CW光谱与无人飞行系统结合，为环境监测提供了强大工具，能够实时识别和定量污染物，应用范围从自然环境污染物检测到工业排放监测。该技术的固有简单性和小型化潜力，结合UAS平台的可及性，表明这种方法可扩展用于经济高效的大范围部署，即使在偏远或具有挑战性的地形也能实现全面环境监测。

讨论部分深入分析了技术的未来优化方向：通过减少系统尺寸和重量可增强无人机部署的 versatility，而多通吸收池的实施将显著提高系统灵敏度。扩展可用光谱范围（如1-2 THz）可提高特定分析物的灵敏度，如气态甲醇在此区域的吸收度增加，能够检测更低浓度。集成更全面的污染物光谱数据库将进一步推进这一概念验证的应用潜力。

这项研究为先进环境监测策略铺平了道路，能够以前所未有的灵活性和精度实现空气质量的快速和空间分辨评估，标志着大气污染监测技术迈入了无人机遥感的新时代。