激光為器 探索大氣

宋潔

1991年6月15日，菲律賓Pinatubo火山在沉睡了600多年以后再度爆發(fā)，中國(guó)科學(xué)院合肥研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所（簡(jiǎn)稱“中科院安光所”）的龔知本、周軍、胡歡陵等科學(xué)家聞?dòng)嵍鴦?dòng)，利用自行研制的L625多波長(zhǎng)激光雷達(dá)，在合肥的“科學(xué)島”上對(duì)其進(jìn)行了成功的監(jiān)測(cè)。自此之后，激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在中科院安光所得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

20世紀(jì)90年代后期，中科院安光所順應(yīng)新時(shí)代變局，根據(jù)學(xué)科發(fā)展和國(guó)家需求，提出了未來(lái)發(fā)展的明確定位：發(fā)展以激光大氣傳輸為重點(diǎn)的大氣光學(xué)，以環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)為重點(diǎn)的環(huán)境光學(xué)，以可調(diào)諧、全固化激光器（包括晶體）為重點(diǎn)的激光技術(shù)等。恰逢其時(shí)，大學(xué)畢業(yè)的劉東被推薦到中科院安光所攻讀碩士研究生，由此與激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)結(jié)緣。

扎根激光雷達(dá)研究領(lǐng)域多年，劉東先后主持研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)偏振、多波長(zhǎng)拉曼、機(jī)載雙波長(zhǎng)和側(cè)向散射等激光雷達(dá)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)專家鑒定達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先和國(guó)際先進(jìn)水平，并應(yīng)用到了氣象、環(huán)保和全球變化研究領(lǐng)域。如今，隨著激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)應(yīng)用的擴(kuò)展，劉東也正在積極進(jìn)行著新的嘗試。

創(chuàng)新探測(cè)技術(shù)

2005年，劉東從中科院安光所博士畢業(yè)，留所工作一年后，前往美國(guó)懷俄明大學(xué)大氣科學(xué)系從事博士后研究工作。在美國(guó)，劉東主要做A-Train衛(wèi)星序列（The Afternoon Constellation，美國(guó)NASA發(fā)射的一系列編隊(duì)飛行衛(wèi)星）的數(shù)據(jù)分析方面的工作，他利用美國(guó)云-氣溶膠激光雷達(dá)和紅外探測(cè)者衛(wèi)星（CALIPSO）全球觀測(cè)數(shù)據(jù)，首次分析了全球沙塵氣溶膠垂直分布的情況，被JGR-Atmosphere雜志評(píng)為當(dāng)期的亮點(diǎn)文章，同時(shí)利用星載激光雷達(dá)和微波雷達(dá)的數(shù)據(jù)，揭示了全球卷云和對(duì)流云的垂直分布特征。

2009年，劉東結(jié)束在美國(guó)的工作后回到了中科院安光所。“回來(lái)以后我主要從事硬件設(shè)備的研究工作，因?yàn)橐鲆涣鞯目茖W(xué)研究的話，所使用的設(shè)備必須要自己研發(fā)，自己去做，才能有好的成果出來(lái)?！币虼?，劉東承擔(dān)了我國(guó)重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施航空遙感系統(tǒng)機(jī)載雙波長(zhǎng)偏振激光雷達(dá)載荷的研制工作，其研究成果填補(bǔ)了國(guó)家在該方面的空白。

之后，劉東又做了多波長(zhǎng)聯(lián)合探測(cè)技術(shù)反演大氣氣溶膠譜垂直分布的探索。他形象地介紹說(shuō)：“多波長(zhǎng)探測(cè)是精細(xì)化的探測(cè)，是光學(xué)參數(shù)探測(cè)邁向微物理參數(shù)的探測(cè)。光學(xué)參數(shù)是知其然，而微物理參數(shù)是知其所以然。”從光學(xué)參數(shù)到微物理參數(shù)的激光雷達(dá)新技術(shù)是近些年國(guó)際上的發(fā)展趨勢(shì)，劉東及其團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)首先研制了該型雷達(dá)，并得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的支持。

劉東和他的團(tuán)隊(duì)正在嘗試發(fā)展大口徑望遠(yuǎn)鏡激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，積極推動(dòng)世界最大望遠(yuǎn)鏡激光雷達(dá)系統(tǒng)的落地，目前，前期的預(yù)先研究正在進(jìn)行中。相較于提高激光發(fā)射能量而言，增加望遠(yuǎn)鏡半徑，其接收面積會(huì)按照半徑的平方關(guān)系增加，激光雷達(dá)的信噪比將會(huì)大大提高?？梢詫?shí)現(xiàn)激光雷達(dá)在更小的時(shí)間分辨率、更小的垂直分辨率上探測(cè)，揭示極端分辨率下的大氣現(xiàn)象及其規(guī)律。同時(shí)，大口徑望遠(yuǎn)鏡激光雷達(dá)的探測(cè)高度也會(huì)更高。

探測(cè)大氣狀態(tài)

自工業(yè)革命以來(lái)，在人類活動(dòng)和自然因素的雙重影響下，全球氣候狀況正經(jīng)歷著全球增溫、霧霾、極端氣候事件頻發(fā)等一系列變化，嚴(yán)重影響著人類的生產(chǎn)生活。氣溶膠和云的相互作用是氣候和天氣預(yù)測(cè)中的重要組成部分，對(duì)地氣系統(tǒng)的輻射平衡、水循環(huán)和能量循環(huán)有著重要影響。然而，氣溶膠和云是怎樣相互作用的，至今仍沒(méi)有人能完全搞清楚，這一問(wèn)題已經(jīng)成為未來(lái)全球氣候變化研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。

2013年，劉東承擔(dān)了國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目“云、氣溶膠氣候效應(yīng)的觀測(cè)與模擬研究”里面的“云宏觀、微觀和大氣狀態(tài)參數(shù)的綜合觀測(cè)研究”課題研究。在該研究中，劉東團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大氣氣溶膠和云參數(shù)的主被動(dòng)、多波段、多平臺(tái)的協(xié)同觀測(cè)研究。

在大氣中，不同的高度，云的狀態(tài)不同，在某一個(gè)高度的云有可能是冰云，也有可能是水云，這其中氣溶膠是否起到了作用是劉東團(tuán)隊(duì)想要搞清楚的一個(gè)問(wèn)題。為此，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了基于現(xiàn)有的地基激光雷達(dá)和微波雷達(dá)相關(guān)算法，以提供云的垂直分布以及水云、冰云和混合相云的云水含量及特征尺度參數(shù)的高度分布。除此之外，劉東團(tuán)隊(duì)還聯(lián)合激光雷達(dá)和微波輻射計(jì)測(cè)量研發(fā)反演層狀云中滴濃度的方法，為云和氣溶膠相互作用研究提供了必要的基礎(chǔ)；研發(fā)了拉曼激光雷達(dá)氣溶膠、水汽和溫度協(xié)同探測(cè)技術(shù)。

劉東還參與了組織天—地—空綜合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，使用地基多波長(zhǎng)和拉曼激光雷達(dá)連續(xù)測(cè)量大氣氣溶膠、溫度和濕度廓線，提供了綜合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)期間的地基遙感垂直觀測(cè)數(shù)據(jù)。他說(shuō)道：“中國(guó)目前存在大氣污染問(wèn)題，通過(guò)研究我們想知道這種污染情況是否會(huì)對(duì)云的屬性產(chǎn)生影響?！?/p>

課題實(shí)施期間，劉東及其團(tuán)隊(duì)成員在項(xiàng)目首席的帶領(lǐng)下通過(guò)認(rèn)真開展觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘分析，產(chǎn)出了一批在國(guó)際上有影響力的研究成果，遠(yuǎn)超預(yù)期考核指標(biāo)。最重要的是，通過(guò)該課題的實(shí)施，打造了一支高素質(zhì)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的研究隊(duì)伍。

推動(dòng)成果轉(zhuǎn)化

在研發(fā)新算法、研制新設(shè)備、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法的同時(shí)，劉東也在積極推動(dòng)研究產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。他介紹說(shuō)，之前用激光雷達(dá)探測(cè)大氣是垂直探測(cè)，所取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都用于科學(xué)研究，但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)激光雷達(dá)對(duì)環(huán)保部門有著重要作用。

“用激光雷達(dá)水平觀測(cè)，也就是在城市中的某個(gè)制高點(diǎn)，進(jìn)行水平掃描周圍同一高度的區(qū)域，就可以發(fā)現(xiàn)哪些地方有污染排放，其排放強(qiáng)度如何?！眲|表示，這樣就可以大大提高環(huán)保部門的執(zhí)法效率。目前，在中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院有專門實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)中，劉東團(tuán)隊(duì)也正在積極孵化環(huán)保領(lǐng)域需要的產(chǎn)品。他說(shuō)道：“我們希望可以基于現(xiàn)有的成果，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，將產(chǎn)品用于氣象，用于環(huán)保，或者用于其他的一些領(lǐng)域，真正地把我們的技術(shù)與行業(yè)結(jié)合起來(lái)?！?/p>

2017年，劉東承擔(dān)了中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃區(qū)域重點(diǎn)項(xiàng)目“水相關(guān)氣象要素探測(cè)設(shè)備工程化研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”。針對(duì)當(dāng)前氣象業(yè)務(wù)化探測(cè)設(shè)備的局限性，劉東提出采用激光雷達(dá)、全天空云圖儀和降水天氣現(xiàn)象儀來(lái)分別探測(cè)大氣水汽廓線、云和降水，獲得高時(shí)間分辨、全相態(tài)和晝夜連續(xù)的水相關(guān)氣象要素，為氣象站點(diǎn)提供一體化的綜合探測(cè)設(shè)備。此外，團(tuán)隊(duì)還突破了長(zhǎng)期穩(wěn)定工作、外場(chǎng)定標(biāo)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演等工程化關(guān)健技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣象探測(cè)裝備的產(chǎn)業(yè)化，相關(guān)設(shè)備也獲得了中國(guó)氣象局頒發(fā)的“氣象專用技術(shù)設(shè)備使用許可證”，帶動(dòng)了水相關(guān)氣象要素整體探測(cè)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

眾所周知，激光雷達(dá)因其強(qiáng)大的環(huán)境感知能力，不僅僅在大氣探測(cè)領(lǐng)域，同時(shí)在遙感測(cè)繪、目標(biāo)識(shí)別和智能駕駛等領(lǐng)域，也被認(rèn)為是不可或缺的傳感器。隨著這些研究領(lǐng)域技術(shù)需求的推進(jìn)，激光雷達(dá)市場(chǎng)也在逐漸打開。劉東的研究也涉及這些領(lǐng)域，并做了初步嘗試，他坦言有些構(gòu)想在技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)，但是怎樣降低成本、提高穩(wěn)定性是目前亟需解決的問(wèn)題。隨著萬(wàn)物互聯(lián)世界的到來(lái)，激光雷達(dá)勢(shì)必還有更大的應(yīng)用空間，劉東和他的團(tuán)隊(duì)正緊跟時(shí)代的腳步，不斷突破，不斷創(chuàng)新。