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(cè)繪、資源勘探等領(lǐng)域發(fā)揮了越來(lái)越多的作用，在最近盛行的“黑科技”無(wú)人駕駛技術(shù)的開(kāi)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(lái)越廣，其中環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域就是很重要的一個(gè)方面，可以用來(lái)測(cè)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(shí)我國(guó)最大L625激光雷達(dá)系統(tǒng)，用于探測(cè)平流層氣溶膠分布，該激光雷達(dá)系統(tǒng)被美國(guó)國(guó)家宇航局選為全球10個(gè)激光雷達(dá)站之一。后來(lái)又陸續(xù)開(kāi)發(fā)出了探測(cè)平流層臭氧的紫外差分吸收激光雷達(dá)、可移動(dòng)式雙波長(zhǎng)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(duì)激光雷達(dá)在環(huán)境監(jiān)測(cè)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(zhǎng)劉文清院士。劉院士為我們?cè)敿?xì)介紹了激光雷達(dá)在我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用、技術(shù)發(fā)展以及未來(lái)的技術(shù)需求。
中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所所長(zhǎng)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(cè)上，空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀器和技術(shù)種類眾多，如常規(guī)六參數(shù)、VOCs監(jiān)測(cè)儀、激光雷達(dá)、衛(wèi)星遙感等等。首先請(qǐng)劉院士談一談目前我國(guó)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀器的整體情況?國(guó)產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器與同類進(jìn)口產(chǎn)品相比有何不同?
劉文清：我國(guó)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)階段主要還是以點(diǎn)式監(jiān)測(cè)方式為主，如AQI六參數(shù)、VOCs等。這些監(jiān)測(cè)設(shè)備組成了我國(guó)現(xiàn)階段的地面空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)，為我國(guó)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)做出了巨大的貢獻(xiàn)，逐步形成了具有中國(guó)特色的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范、環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)量的是人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ骰顒?dòng)范圍內(nèi)的空氣質(zhì)量，可以較為準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)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(shí)空演變等指標(biāo)的數(shù)據(jù)演變信息。近年來(lái)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(cè)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(shí)間空間影響，此類探空設(shè)備仍然存在著不足之處。
對(duì)于區(qū)域性復(fù)合污染監(jiān)測(cè)，需要快速有效的技術(shù)手段進(jìn)行區(qū)域范圍內(nèi)時(shí)間和空間上的監(jiān)測(cè)。與以上傳統(tǒng)點(diǎn)式監(jiān)測(cè)方法相比，激光雷達(dá)等光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)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(gè)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(zhǎng)時(shí)間、多尺度、多參數(shù)的遙感遙測(cè)。此類技術(shù)已達(dá)到了國(guó)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(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)階段的需求進(jìn)行了深入的研發(fā)，這是國(guó)外進(jìn)口設(shè)備所不能做到的。目前，國(guó)產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器已基本打破了進(jìn)口產(chǎn)品的國(guó)際壟斷地位，全面實(shí)現(xiàn)了中國(guó)造。
Instrument:顆粒物激光雷達(dá)技術(shù)被越來(lái)越多的用戶所接受，請(qǐng)劉院士重點(diǎn)談一談?lì)w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(guó)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)。國(guó)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(gè)近乎不含大氣氣溶膠的清潔大氣層所在高度來(lái)視作參考點(diǎn)，為保證反演結(jié)果的有效性，必須通過(guò)明顯氣溶膠層或者云層的剔除方法來(lái)確認(rèn)合適的參考高度。
隨著“說(shuō)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(cè)事權(quán)上收等管理機(jī)制的改革，地方政府動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)管理能力支撐成為越來(lái)越迫切的要求，尤其是快速說(shuō)清空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化原因、重污染應(yīng)對(duì)、事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)與快速評(píng)估等。針對(duì)區(qū)域性大氣污染問(wèn)題，及監(jiān)測(cè)管理的迫切需求，作為一種成熟的主動(dòng)遙感手段，顆粒物激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)方面具有重要的意義。其在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用可分為以下幾點(diǎn)：1)垂直監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)邊界層變化特征，了解污染來(lái)源和變化趨勢(shì);2)水平掃描監(jiān)測(cè)：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(duì)污染形成的貢獻(xiàn);3)車載移動(dòng)監(jiān)測(cè)：對(duì)污染源進(jìn)行快速溯源，應(yīng)對(duì)污染突發(fā)事件，并對(duì)污染氣團(tuán)進(jìn)行跟蹤;4)雷達(dá)組網(wǎng)監(jiān)測(cè)：說(shuō)清區(qū)域間污染跨界傳輸，為短時(shí)間空氣質(zhì)量預(yù)警預(yù)報(bào)提供及時(shí)、有效、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。
Instrument:安徽光機(jī)所可以說(shuō)是我國(guó)激光大氣探測(cè)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(guò)哪些工作?您認(rèn)為未來(lái)還有哪些技術(shù)需要突破?
劉文清：激光雷達(dá)按照監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)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(huì)、上海世博會(huì)、廣州亞運(yùn)會(huì)、北京APEC會(huì)議、北京九三閱兵式、南京青奧會(huì)、福州青運(yùn)會(huì)、鄭州上合首腦會(huì)議、烏鎮(zhèn)物聯(lián)網(wǎng)大會(huì)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(jī)。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(cè)原理的限制，拉曼激光雷達(dá)白天會(huì)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(cè)日常業(yè)務(wù)中，為環(huán)境污染的擴(kuò)散、大氣化學(xué)過(guò)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(duì)顆粒物監(jiān)測(cè)的影響，也是接下來(lái)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(wú)錫中科光電成功產(chǎn)業(yè)化了雙波長(zhǎng)三通道顆粒物激光雷達(dá)，應(yīng)用532nm波長(zhǎng)我們已可以反演PM10質(zhì)量濃度的時(shí)空分布。對(duì)于細(xì)粒子質(zhì)量濃度的時(shí)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(kāi)發(fā)應(yīng)用355nm反演PM2.5質(zhì)量濃度的時(shí)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(cè)臭氧的時(shí)空分布，已被成功運(yùn)用，為證實(shí)其監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性，我們也參與了由上海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心舉辦的探空聯(lián)盟比對(duì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)臭氧的差分吸收激光雷達(dá)與探空氣球、無(wú)人飛機(jī)等監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了廓線比對(duì)，比對(duì)結(jié)果令人非常滿意。對(duì)于差分吸收激光雷達(dá)只能監(jiān)測(cè)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(cè)量，如同時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)激光雷達(dá)，此臺(tái)儀器的主要特點(diǎn)是什么?其研發(fā)目的是什么?其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(cè)的功能上，還可以實(shí)現(xiàn)快速多角度掃描功能。如此針對(duì)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(lái)源)變化過(guò)程，還可以同時(shí)獲取垂直的顆粒物時(shí)空演變數(shù)據(jù)、邊界層高度變化數(shù)據(jù)。使一臺(tái)雷達(dá)可以同時(shí)獲取區(qū)域內(nèi)垂直與水平立體空間數(shù)據(jù)，為說(shuō)清區(qū)域污染變化提供了更有力的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，我們也考慮了車載走航監(jiān)測(cè)獲取線源數(shù)據(jù)的技術(shù)要求，在固定加走航監(jiān)測(cè)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(duì)聯(lián)合中科光電，組織技術(shù)骨干進(jìn)行技術(shù)攻堅(jiān)，經(jīng)過(guò)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(cè)技術(shù)等一系列關(guān)鍵問(wèn)題。其中，快速掃描振鏡技術(shù)其核心競(jìng)爭(zhēng)力在于，可以使掃描及成圖時(shí)間分辨率達(dá)到3分鐘，確保了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性(目前國(guó)內(nèi)外采用3D支架掃描方式，完成掃描及成圖時(shí)間需要2小時(shí)，沒(méi)有時(shí)效性保證，無(wú)法動(dòng)態(tài)說(shuō)清變化過(guò)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(duì)于激光雷達(dá)，有沒(méi)有正在制定的標(biāo)準(zhǔn)?或者說(shuō)您認(rèn)為需要哪些方面來(lái)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(méi)有正式的國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，很多單位對(duì)于激光雷達(dá)的性能校驗(yàn)也一直存在著疑問(wèn)。實(shí)際上，為了保持激光雷達(dá)的有效探測(cè)距離及探測(cè)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(guó)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(cè)試和校驗(yàn)方法是其重要的技術(shù)支撐。完整的系統(tǒng)測(cè)試即包括儀器組成部分的性能測(cè)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(cè)成分、探測(cè)距離、距離分辨率以及信噪比等。對(duì)于激光雷達(dá)這樣一個(gè)復(fù)雜的光電探測(cè)系統(tǒng)的校驗(yàn)也可以與其他觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行一致性的對(duì)比分析。使用激光雷達(dá)與能見(jiàn)度儀、太陽(yáng)光度計(jì)等觀測(cè)儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)一致性對(duì)比分析，采用探空氣球數(shù)據(jù)對(duì)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的準(zhǔn)確性進(jìn)行校驗(yàn)等。
后記：隨著我國(guó)大氣環(huán)境治理工作的深入，大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目、時(shí)間要求和空間要求都在提升，隨之而來(lái)的是監(jiān)測(cè)手段的多樣化。除激光雷達(dá)之外，衛(wèi)星遙感、無(wú)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(cè)領(lǐng)域，不同的手段為我們多維度了解大氣污染過(guò)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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