王珍珠突破激光雷達測量盲區 助力精準治霾

500米以内的近地面高空，是与我们生产生活联系最为紧密的空间，科研工作者从未停止对这一空间的监测。近年来，大众对近地面高空的雾霾情况尤为关注。激光雷达是有效探测雾霾最先进的技术手段，然而，该技术在近地面探测存在「盲区」的技术瓶颈却困扰业界多年。为了攻克难题，中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所（下文简称「安光所」）课题负责人王珍珠，通过近5年研发，利用「侧向散射」激光雷达新技术，消除了这一技术「盲区」，并可以24小时精确、清晰地对近地面高空进行垂直立体探测，助力解析污染成因，从而「精准治霾」，团队并推动了相关设备的国产化研发。◆香港文汇报记者 赵臣 安徽合肥报道 位于安徽省合肥市蜀山区科学岛内的安光所，是中国致力于大气环境遥感监测技术研发最为前沿的科研院所之一。2004年，从安徽师范大学物理系本科毕业的王珍珠，凭优异的成绩被中科院安光所「要」了过来，开启了他在大气探测领域的科研探索。 搞科研没周末 兴趣随年月增 「刚开始对激光雷达探测这一块还不是很了解，硕士导师周军研究员给了指导方向后，慢慢开始专注这一领域的研究。」王珍珠告诉香港文汇报记者，通过大气激光雷达设备可以获取大气中温度、湿度、风场、密度、颗粒物浓度、云结构等各类物理参数，能帮助解决很多环境问题，随着研究的深入，他越发对激光雷达产生浓厚兴趣。 都说搞科研没有周末，搞科研要耐得住寂寞。王珍珠刚到科学岛时，那里交通不便，去趟合肥市就像进城一样，用他的话说，就像与世隔绝一般。「因为激光雷达设备研发需要长期积累大气数据，所以刚开始我们几乎每天晚上都要做实验。」王珍珠记得，那时候设备的自动化水平还不高，需要人为全程操作，熬通宵做实验、监测数据是常有的事。「我喜欢这个事情，所以一点没觉得辛苦。」先后用激光雷达设备监测到其他国家发生火山喷发后一些颗粒物对中国平流层产生的影响，用设备捕捉到沙尘暴、烟尘等特殊现象数据，都令王珍珠特别开心。 系统结构缺陷 长期无人能解 王珍珠完全投入大气激光雷达探测技术研发是在2011年前后，那时他即将博士毕业，激光雷达设备已普遍服务于国内外各大气象、环保领域，但技术却存在无法在500米以下近地面区域精准探测的盲区瓶颈。 激光雷达的基本原理是激光雷达发射一束激光脉冲，激光在传输的过程中与大气中的物质相遇并相互作用，后向散射信号被接收，通过不同的反演算法可以得到物质的光学性质与微物理性质。 传统激光雷达采用「后向散射技术」，该技术过程中激光束与接收望远镜之间不完全重叠，导致近场范围内一部分激光的后向散射回波信号并未返回到望远镜接收系统，影响了激光雷达在近地面范围内的测量，这一部分区域被称为激光雷达的探测盲区。 王珍珠表示，这一技术瓶颈在近地面雾霾等污染参数监测上尤为明显。长期以来，科研工作者针对传统激光雷达探测存在的过渡区、盲区问题进行了很多探索，但因系统结构本身决定的盲区部分，却始终消除不了。探测盲区的高度通常在100米到几百米不等，而500米以内的近地面高空是与人类活动最为密切相关的，大气监测特别是雾霾探测亦主要在这个范围内，如果能突破盲区，准确捕捉污染因子，将对污染防控及治理起到重要作用。然而王珍珠团队反覆尝试了多种传统办法，却始终没有突破。 导师一语点醒 辟新径破瓶颈 在一次科研外场实验中，王珍珠与其博士导师王英俭研究员聊起探测盲区的问题，导师建议他，既然传统「后向散射技术」方案行不通，能否另辟蹊径，试试「成像」探测的方法。这让王珍珠茅塞顿开。经过多次尝试，王珍珠团队基于CCD成像的侧向散射激光雷达，将发射装置（激光器）与接收装置（CCD相机）分两处放置，采用「侧向散射技术」方案（见图解），这样的系统设计本身就没有过渡区和盲区，在近地面段的测量精度大大提高，同时由于使用了侧向散射技术，其近地面段的空间分辨率也更高。 而这一创新设计在监测过程中，除了接收大气分子等信号外，还有背景光、干扰光、暗电子数等噪声信号，因此，在实际监测过程中，对信号提取、噪音去除、光强度转换等有了更高的要求。为此，王珍珠团队通过多次研发，最后采用窄带光谱滤光、时间选通参数的设计和遮光筒的应用，解决了白天强背景下弱信号的探测难题。同时，团队采用高斯信号提取、透过率校正、探测高度校正等算法，更准确获取雾霾天气近地面层大气回波信号。经过5年多的反覆实验，王珍珠团队终于在2015年底成功解决了激光雷达近地面探测盲区难题。