激光雷達(dá)的研究起源于上世紀(jì)60年代末，起初主要用于軍用領(lǐng)域，自1995年正式實(shí)現(xiàn)商業(yè)化之后，在測繪、資源勘探等領(lǐng)域發(fā)揮了越來越多的作用，在最近盛行的“黑科技”無人駕駛技術(shù)的開發(fā)上，激光雷達(dá)更是核心技術(shù)之一。隨著技術(shù)的發(fā)展和完善，激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍也越來越廣，其中環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域就是很重要的一個方面，可以用來測量顆粒物、臭氧、溫度和濕度的變化等等。
中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所于1991年建立了當(dāng)時我國最大L625激光雷達(dá)系統(tǒng)，用于探測平流層氣溶膠分布，該激光雷達(dá)系統(tǒng)被美國國家宇航局選為全球10個激光雷達(dá)站之一。后來又陸續(xù)開發(fā)出了探測平流層臭氧的紫外差分吸收激光雷達(dá)、可移動式雙波長米散射L300激光雷達(dá)、車載式拉曼-米散射激光雷達(dá)等等，受到了廣泛的關(guān)注。
近日，儀器信息網(wǎng)編輯專門針對激光雷達(dá)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用采訪了中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所所長劉文清院士。劉院士為我們詳細(xì)介紹了激光雷達(dá)在我國環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用、技術(shù)發(fā)展以及未來的技術(shù)需求。
中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所所長劉文清院士
Instrument: 我們知道劉院士在環(huán)境光學(xué)領(lǐng)域有很多研究成果，今天我們把目光聚焦在空氣質(zhì)量監(jiān)測上，空氣質(zhì)量監(jiān)測儀器和技術(shù)種類眾多，如常規(guī)六參數(shù)、VOCs監(jiān)測儀、激光雷達(dá)、衛(wèi)星遙感等等。首先請劉院士談一談目前我國空氣質(zhì)量監(jiān)測儀器的整體情況?國產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測儀器與同類進(jìn)口產(chǎn)品相比有何不同?
劉文清：我國大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)階段主要還是以點(diǎn)式監(jiān)測方式為主，如AQI六參數(shù)、VOCs等。這些監(jiān)測設(shè)備組成了我國現(xiàn)階段的地面空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)，為我國空氣質(zhì)量監(jiān)測做出了巨大的貢獻(xiàn)，逐步形成了具有中國特色的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范、環(huán)境監(jiān)測分析方法、環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系。目前采用的標(biāo)準(zhǔn)方法，主要以人體健康為關(guān)注重點(diǎn)，測量的是人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ骰顒臃秶鷥?nèi)的空氣質(zhì)量，可以較為準(zhǔn)確的監(jiān)測空氣中氣溶膠和污染氣體的含量，但它的局限性主要是獲得局部低層、較小地域范圍內(nèi)的污染物濃度變化信息，缺乏污染物區(qū)域性變化、時空演變等指標(biāo)的數(shù)據(jù)演變信息。近年來隨著分析儀器的快速發(fā)展，結(jié)合衛(wèi)星遙感，探空氣球和高塔能夠測量一些氣溶膠、氣體成分的垂直分布特征，但是衛(wèi)星遙感直接獲取的是整層大氣污染，反演近地面污染有一定誤差，而探空氣球及飛機(jī)受時間空間影響，此類探空設(shè)備仍然存在著不足之處。
對于區(qū)域性復(fù)合污染監(jiān)測，需要快速有效的技術(shù)手段進(jìn)行區(qū)域范圍內(nèi)時間和空間上的監(jiān)測。與以上傳統(tǒng)點(diǎn)式監(jiān)測方法相比，激光雷達(dá)等光學(xué)遙感監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展改變了傳統(tǒng)的由點(diǎn)到線再到面的演繹方法，為大氣環(huán)境研究提供了一個新的技術(shù)手段，克服了傳統(tǒng)大氣環(huán)境研究中的諸多局限性，實(shí)現(xiàn)了大空間、長時間、多尺度、多參數(shù)的遙感遙測。此類技術(shù)已達(dá)到了國際先進(jìn)水平，尤其在業(yè)務(wù)化應(yīng)用方面，我們已根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)階段的需求進(jìn)行了深入的研發(fā)，這是國外進(jìn)口設(shè)備所不能做到的。目前，國產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測儀器已基本打破了進(jìn)口產(chǎn)品的國際壟斷地位，全面實(shí)現(xiàn)了中國造。
Instrument:顆粒物激光雷達(dá)技術(shù)被越來越多的用戶所接受，請劉院士重點(diǎn)談一談顆粒物激光雷達(dá)技術(shù)。顆粒物激光雷達(dá)的核心技術(shù)要點(diǎn)是什么?在我國大氣環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用情況?此技術(shù)在空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中的獨(dú)特作用?
劉文清：激光雷達(dá)主要由激光器、發(fā)射和接受光學(xué)系統(tǒng)、探測器、高速數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)分析軟件等部件組成，其核心技術(shù)在于穩(wěn)定可靠的激光器和性能優(yōu)良的反演算法。激光器單脈沖能量大小直接決定了激光雷達(dá)的探測高度。保證激光器單脈沖能量，能夠有效保證系統(tǒng)信噪比，實(shí)現(xiàn)理想高度的探測。國內(nèi)外不同廠家的激光雷達(dá)反演算法存在一定的差異性，應(yīng)用最為廣泛的是Fernald方法，也是我們安光所選擇的反演算法。應(yīng)用該算法，參考點(diǎn)的選擇尤為重要，一般須假定一個近乎不含大氣氣溶膠的清潔大氣層所在高度來視作參考點(diǎn)，為保證反演結(jié)果的有效性，必須通過明顯氣溶膠層或者云層的剔除方法來確認(rèn)合適的參考高度。
隨著“說清環(huán)境質(zhì)量、改善環(huán)境質(zhì)量”重大管理需求的發(fā)展和監(jiān)測事權(quán)上收等管理機(jī)制的改革，地方政府動態(tài)精準(zhǔn)管理能力支撐成為越來越迫切的要求，尤其是快速說清空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)變化原因、重污染應(yīng)對、事故應(yīng)急監(jiān)測與快速評估等。針對區(qū)域性大氣污染問題，及監(jiān)測管理的迫切需求，作為一種成熟的主動遙感手段，顆粒物激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測方面具有重要的意義。其在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用可分為以下幾點(diǎn)：1)垂直監(jiān)測：監(jiān)測邊界層變化特征，了解污染來源和變化趨勢;2)水平掃描監(jiān)測：可獲取區(qū)域污染物的空間立體分布、變化規(guī)律和排放特征，摸清局地污染物對污染形成的貢獻(xiàn);3)車載移動監(jiān)測：對污染源進(jìn)行快速溯源，應(yīng)對污染突發(fā)事件，并對污染氣團(tuán)進(jìn)行跟蹤;4)雷達(dá)組網(wǎng)監(jiān)測：說清區(qū)域間污染跨界傳輸，為短時間空氣質(zhì)量預(yù)警預(yù)報提供及時、有效、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。
Instrument:安徽光機(jī)所可以說是我國激光大氣探測研究領(lǐng)域的先行者，在激光雷達(dá)技術(shù)的研發(fā)上，劉院士主要做過哪些工作?您認(rèn)為未來還有哪些技術(shù)需要突破?
劉文清：激光雷達(dá)按照監(jiān)測方法和監(jiān)測種類可分為米散射激光雷達(dá)、大氣成分差分吸收激光雷達(dá)、拉曼激光雷達(dá)等。我所在顆粒物激光雷達(dá)和大氣差分吸收激光雷達(dá)方面已取得了階段性進(jìn)展。在北京奧運(yùn)會、上海世博會、廣州亞運(yùn)會、北京APEC會議、北京九三閱兵式、南京青奧會、福州青運(yùn)會、鄭州上合首腦會議、烏鎮(zhèn)物聯(lián)網(wǎng)大會的聯(lián)合環(huán)境空氣保障工作中交上了令人滿意的答卷，相應(yīng)成果也證實(shí)了我們激光雷達(dá)在穩(wěn)定性、有效性方面取得了一定的成績。但在某些方面還是存在一定的不足，需要我們進(jìn)一步完善，如：1)拉曼激光雷達(dá)方面。由于其監(jiān)測原理的限制，拉曼激光雷達(dá)白天會受到天空背景噪聲的嚴(yán)重影響，如何有效提高其信噪比，將拉曼激光雷達(dá)成功的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測日常業(yè)務(wù)中，為環(huán)境污染的擴(kuò)散、大氣化學(xué)過程的演變提供有效的氣象數(shù)據(jù)。2)顆粒物激光雷達(dá)方面。雨水消光系數(shù)大，顆粒物雷達(dá)在降雨天氣條件下應(yīng)用效果不佳，如何去除降雨對顆粒物監(jiān)測的影響，也是接下來的研究重點(diǎn)。3)細(xì)粒子質(zhì)量濃度空間分布。我們已在無錫中科光電成功產(chǎn)業(yè)化了雙波長三通道顆粒物激光雷達(dá)，應(yīng)用532nm波長我們已可以反演PM10質(zhì)量濃度的時空分布。對于細(xì)粒子質(zhì)量濃度的時空分布也是迫在眉急的管理需求，目前我們已加大投入，研究開發(fā)應(yīng)用355nm反演PM2.5質(zhì)量濃度的時空分布的相應(yīng)工作。4)大氣差分吸收激光雷達(dá)方面。應(yīng)用大氣差分吸收原理監(jiān)測臭氧的時空分布，已被成功運(yùn)用，為證實(shí)其監(jiān)測準(zhǔn)確性，我們也參與了由上海環(huán)境監(jiān)測中心舉辦的探空聯(lián)盟比對實(shí)驗。實(shí)驗中監(jiān)測臭氧的差分吸收激光雷達(dá)與探空氣球、無人飛機(jī)等監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了廓線比對，比對結(jié)果令人非常滿意。對于差分吸收激光雷達(dá)只能監(jiān)測臭氧不是我們的目的，我們希望應(yīng)用一種技術(shù)可以進(jìn)行多參數(shù)測量，如同時監(jiān)測二氧化硫、二氧化氮等，此類設(shè)想我們已取得了階段性的成果。
Instrument: 安徽光機(jī)所的產(chǎn)業(yè)化公司——中科光電最近推出了高能掃描系列的大氣顆粒物監(jiān)測激光雷達(dá)，此臺儀器的主要特點(diǎn)是什么?其研發(fā)目的是什么?其市場競爭力主要體現(xiàn)在哪?
劉文清：高能掃描顆粒物激光雷達(dá)是基于快速掃描振鏡的激光雷達(dá)技術(shù)，該技術(shù)使激光雷達(dá)在保留原有垂直探測的功能上，還可以實(shí)現(xiàn)快速多角度掃描功能。如此針對固定安裝的激光雷達(dá)，高能掃描激光雷達(dá)不僅可以監(jiān)控5KM半徑范圍內(nèi)的污染源(本地源以及外來源)變化過程，還可以同時獲取垂直的顆粒物時空演變數(shù)據(jù)、邊界層高度變化數(shù)據(jù)。使一臺雷達(dá)可以同時獲取區(qū)域內(nèi)垂直與水平立體空間數(shù)據(jù)，為說清區(qū)域污染變化提供了更有力的數(shù)據(jù)支撐。同時，在產(chǎn)品設(shè)計中，我們也考慮了車載走航監(jiān)測獲取線源數(shù)據(jù)的技術(shù)要求，在固定加走航監(jiān)測結(jié)合的模式下，可以全面獲取“點(diǎn)面域、地空天”一體化數(shù)據(jù)。
我所張?zhí)焓嫜芯繂T率領(lǐng)的激光雷達(dá)團(tuán)隊聯(lián)合中科光電，組織技術(shù)骨干進(jìn)行技術(shù)攻堅，經(jīng)過近兩年的不懈努力，攻克了快速掃描振鏡技術(shù)、高重復(fù)頻率激光器技術(shù)、多姿態(tài)雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)分析技術(shù)、車載雷達(dá)減震避震技術(shù)和快速走航觀測技術(shù)等一系列關(guān)鍵問題。其中，快速掃描振鏡技術(shù)其核心競爭力在于，可以使掃描及成圖時間分辨率達(dá)到3分鐘，確保了監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性(目前國內(nèi)外采用3D支架掃描方式，完成掃描及成圖時間需要2小時，沒有時效性保證，無法動態(tài)說清變化過程)。
Instrument:在環(huán)保領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)為是一類儀器推廣的“利器”，對于激光雷達(dá)，有沒有正在制定的標(biāo)準(zhǔn)?或者說您認(rèn)為需要哪些方面來規(guī)范此類儀器的生產(chǎn)和應(yīng)用?
劉文清：激光雷達(dá)目前還沒有正式的國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，很多單位對于激光雷達(dá)的性能校驗也一直存在著疑問。實(shí)際上，為了保持激光雷達(dá)的有效探測距離及探測精度、保證激光雷達(dá)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，我們聯(lián)合合作企業(yè)已經(jīng)編制了相關(guān)的企業(yè)技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，希望能夠逐步發(fā)展為行業(yè)和國家標(biāo)準(zhǔn)。
激光雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立目的是為了保證雷達(dá)數(shù)據(jù)的有效性和一致性，科學(xué)的系統(tǒng)測試和校驗方法是其重要的技術(shù)支撐。完整的系統(tǒng)測試即包括儀器組成部分的性能測試，如激光器的功率、脈沖能量、發(fā)散角，光學(xué)發(fā)射和接受系統(tǒng)與激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的匹配性，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本身的采集速率、電子學(xué)噪聲，以及雷達(dá)數(shù)據(jù)處理和分析軟件性能;也包括功能指標(biāo)，包括探測成分、探測距離、距離分辨率以及信噪比等。對于激光雷達(dá)這樣一個復(fù)雜的光電探測系統(tǒng)的校驗也可以與其他觀測設(shè)備進(jìn)行一致性的對比分析。使用激光雷達(dá)與能見度儀、太陽光度計等觀測儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)一致性對比分析，采用探空氣球數(shù)據(jù)對激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品的準(zhǔn)確性進(jìn)行校驗等。
后記：隨著我國大氣環(huán)境治理工作的深入，大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的項目、時間要求和空間要求都在提升，隨之而來的是監(jiān)測手段的多樣化。除激光雷達(dá)之外，衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、探空氣球等技術(shù)不斷被引入大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測領(lǐng)域，不同的手段為我們多維度了解大氣污染過程提供了依據(jù)，也為我們更精準(zhǔn)的治理大氣環(huán)境提供了技術(shù)支持。（轉(zhuǎn)自：儀器信息網(wǎng)）
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