激光雷達的研究起源于上世紀60年代末，起初主要用于軍用領域，自1995年正式實現商業(yè)化之后，在測繪、資源勘探等領域發(fā)揮了越來越多的作用，在最近盛行的“黑科技”無人駕駛技術的開發(fā)上，激光雷達更是核心技術之一。隨著技術的發(fā)展和完善，激光雷達的應用范圍也越來越廣，其中環(huán)境監(jiān)測領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。
中科院安徽光學精密機械研究所于1991年建立了當時我國最大L625激光雷達系統，用于探測平流層氣溶膠分布，該激光雷達系統被美國國家宇航局選為全球10個激光雷達站之一。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、可移動式雙波長米散射L300激光雷達、車載式拉曼-米散射激光雷達等等，受到了廣泛的關注。
近日，儀器信息網編輯專門針對激光雷達在環(huán)境監(jiān)測領域的應用采訪了中科院安徽光學精密機械研究所所長劉文清院士。劉院士為我們詳細介紹了激光雷達在我國環(huán)境監(jiān)測領域的應用、技術發(fā)展以及未來的技術需求。
中科院安徽光學精密機械研究所所長劉文清院士
Instrument: 我們知道劉院士在環(huán)境光學領域有很多研究成果，今天我們把目光聚焦在空氣質量監(jiān)測上，空氣質量監(jiān)測儀器和技術種類眾多，如常規(guī)六參數、VOCs監(jiān)測儀、激光雷達、衛(wèi)星遙感等等。首先請劉院士談一談目前我國空氣質量監(jiān)測儀器的整體情況?國產環(huán)境監(jiān)測儀器與同類進口產品相比有何不同?
劉文清：我國大氣環(huán)境監(jiān)測技術現階段主要還是以點式監(jiān)測方式為主，如AQI六參數、VOCs等。這些監(jiān)測設備組成了我國現階段的地面空氣質量監(jiān)測網，為我國空氣質量監(jiān)測做出了巨大的貢獻，逐步形成了具有中國特色的環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范、環(huán)境監(jiān)測分析方法、環(huán)境質量標準體系。目前采用的標準方法，主要以人體健康為關注重點，測量的是人們日常生活和工作活動范圍內的空氣質量，可以較為準確的監(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、時空演變等指標的數據演變信息。近年來隨著分析儀器的快速發(fā)展，結合衛(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，而探空氣球及飛機受時間空間影響，此類探空設備仍然存在著不足之處。
對于區(qū)域性復合污染監(jiān)測，需要快速有效的技術手段進行區(qū)域范圍內時間和空間上的監(jiān)測。與以上傳統點式監(jiān)測方法相比，激光雷達等光學遙感監(jiān)測技術的發(fā)展改變了傳統的由點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手段，克服了傳統大氣環(huán)境研究中的諸多局限性，實現了大空間、長時間、多尺度、多參數的遙感遙測。此類技術已達到了國際先進水平，尤其在業(yè)務化應用方面，我們已根據中國環(huán)境監(jiān)測現階段的需求進行了深入的研發(fā)，這是國外進口設備所不能做到的。目前，國產環(huán)境監(jiān)測儀器已基本打破了進口產品的國際壟斷地位，全面實現了中國造。
Instrument:顆粒物激光雷達技術被越來越多的用戶所接受，請劉院士重點談一談顆粒物激光雷達技術。顆粒物激光雷達的核心技術要點是什么?在我國大氣環(huán)境領域的應用情況?此技術在空氣質量監(jiān)測系統中的獨特作用?
劉文清：激光雷達主要由激光器、發(fā)射和接受光學系統、探測器、高速數據采集卡和數據分析軟件等部件組成，其核心技術在于穩(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的探測高度。保證激光器單脈沖能量，能夠有效保證系統信噪比，實現理想高度的探測。國內外不同廠家的激光雷達反演算法存在一定的差異性，應用最為廣泛的是Fernald方法，也是我們安光所選擇的反演算法。應用該算法，參考點的選擇尤為重要，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，為保證反演結果的有效性，必須通過明顯氣溶膠層或者云層的剔除方法來確認合適的參考高度。
隨著“說清環(huán)境質量、改善環(huán)境質量”重大管理需求的發(fā)展和監(jiān)測事權上收等管理機制的改革，地方政府動態(tài)精準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量監(jiān)測點數據變化原因、重污染應對、事故應急監(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)測中的應用可分為以下幾點：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;3)車載移動監(jiān)測：對污染源進行快速溯源，應對污染突發(fā)事件，并對污染氣團進行跟蹤;4)雷達組網監(jiān)測：說清區(qū)域間污染跨界傳輸，為短時間空氣質量預警預報提供及時、有效、準確的數據支撐。
Instrument:安徽光機所可以說是我國激光大氣探測研究領域的先行者，在激光雷達技術的研發(fā)上，劉院士主要做過哪些工作?您認為未來還有哪些技術需要突破?
劉文清：激光雷達按照監(jiān)測方法和監(jiān)測種類可分為米散射激光雷達、大氣成分差分吸收激光雷達、拉曼激光雷達等。我所在顆粒物激光雷達和大氣差分吸收激光雷達方面已取得了階段性進展。在北京奧運會、上海世博會、廣州亞運會、北京APEC會議、北京九三閱兵式、南京青奧會、福州青運會、鄭州上合首腦會議、烏鎮(zhèn)物聯網大會的聯合環(huán)境空氣保障工作中交上了令人滿意的答卷，相應成果也證實了我們激光雷達在穩(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，需要我們進一步完善，如：1)拉曼激光雷達方面。由于其監(jiān)測原理的限制，拉曼激光雷達白天會受到天空背景噪聲的嚴重影響，如何有效提高其信噪比，將拉曼激光雷達成功的應用于環(huán)境監(jiān)測日常業(yè)務中，為環(huán)境污染的擴散、大氣化學過程的演變提供有效的氣象數據。2)顆粒物激光雷達方面。雨水消光系數大，顆粒物雷達在降雨天氣條件下應用效果不佳，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。3)細粒子質量濃度空間分布。我們已在無錫中科光電成功產業(yè)化了雙波長三通道顆粒物激光雷達，應用532nm波長我們已可以反演PM10質量濃度的時空分布。對于細粒子質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)應用355nm反演PM2.5質量濃度的時空分布的相應工作。4)大氣差分吸收激光雷達方面。應用大氣差分吸收原理監(jiān)測臭氧的時空分布，已被成功運用，為證實其監(jiān)測準確性，我們也參與了由上海環(huán)境監(jiān)測中心舉辦的探空聯盟比對實驗。實驗中監(jiān)測臭氧的差分吸收激光雷達與探空氣球、無人飛機等監(jiān)測技術進行了廓線比對，比對結果令人非常滿意。對于差分吸收激光雷達只能監(jiān)測臭氧不是我們的目的，我們希望應用一種技術可以進行多參數測量，如同時監(jiān)測二氧化硫、二氧化氮等，此類設想我們已取得了階段性的成果。
Instrument: 安徽光機所的產業(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，此臺儀器的主要特點是什么?其研發(fā)目的是什么?其市場競爭力主要體現在哪?
劉文清：高能掃描顆粒物激光雷達是基于快速掃描振鏡的激光雷達技術，該技術使激光雷達在保留原有垂直探測的功能上，還可以實現快速多角度掃描功能。如此針對固定安裝的激光雷達，高能掃描激光雷達不僅可以監(jiān)控5KM半徑范圍內的污染源(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據、邊界層高度變化數據。使一臺雷達可以同時獲取區(qū)域內垂直與水平立體空間數據，為說清區(qū)域污染變化提供了更有力的數據支撐。同時，在產品設計中，我們也考慮了車載走航監(jiān)測獲取線源數據的技術要求，在固定加走航監(jiān)測結合的模式下，可以全面獲取“點面域、地空天”一體化數據。
我所張?zhí)焓嫜芯繂T率領的激光雷達團隊聯合中科光電，組織技術骨干進行技術攻堅，經過近兩年的不懈努力，攻克了快速掃描振鏡技術、高重復頻率激光器技術、多姿態(tài)雷達掃描數據分析技術、車載雷達減震避震技術和快速走航觀測技術等一系列關鍵問題。其中，快速掃描振鏡技術其核心競爭力在于，可以使掃描及成圖時間分辨率達到3分鐘，確保了監(jiān)測數據的時效性(目前國內外采用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)保領域，標準被認為是一類儀器推廣的“利器”，對于激光雷達，有沒有正在制定的標準?或者說您認為需要哪些方面來規(guī)范此類儀器的生產和應用?
劉文清：激光雷達目前還沒有正式的國家規(guī)范標準，很多單位對于激光雷達的性能校驗也一直存在著疑問。實際上，為了保持激光雷達的有效探測距離及探測精度、保證激光雷達的穩(wěn)定性及準確性，我們聯合合作企業(yè)已經編制了相關的企業(yè)技術規(guī)范標準，希望能夠逐步發(fā)展為行業(yè)和國家標準。
激光雷達標準規(guī)范的建立目的是為了保證雷達數據的有效性和一致性，科學的系統測試和校驗方法是其重要的技術支撐。完整的系統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，光學發(fā)射和接受系統與激光準直系統的匹配性，數據采集系統本身的采集速率、電子學噪聲，以及雷達數據處理和分析軟件性能;也包括功能指標，包括探測成分、探測距離、距離分辨率以及信噪比等。對于激光雷達這樣一個復雜的光電探測系統的校驗也可以與其他觀測設備進行一致性的對比分析。使用激光雷達與能見度儀、太陽光度計等觀測儀器進行數據一致性對比分析，采用探空氣球數據對激光雷達觀測數據產品的準確性進行校驗等。
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。除激光雷達之外，衛(wèi)星遙感、無人機、探空氣球等技術不斷被引入大氣環(huán)境質量監(jiān)測領域，不同的手段為我們多維度了解大氣污染過程提供了依據，也為我們更精準的治理大氣環(huán)境提供了技術支持。（轉自：儀器信息網）
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