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香港《文汇报》专访安光所王珍珠：突破激光雷达测量盲区助力精准治霾

中国科学院合肥物质院安徽光机所

2022-04-02

导读：安光所王珍珠通过近5年研发，利用「侧向散射」激光雷达新技术，消除了激光雷达技术在近地面探测存在的「盲区」难题，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

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香港《文汇报》3月30日A12版

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。

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。

安光所工作站发射激光进行探测。受访者供图

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。

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副研究员、课题负责人王珍珠

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迭，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。然而王珍珠团队反复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年多的反复实验，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。

王珍珠主持研发的野外一体化激光雷达设备。（受访者供图）

设备自主研发成本降低逾半

解决了探测「盲区」的技术瓶颈后，王珍珠便着手于设备的国产化应用。他介绍，此前激光雷达监测设备的核心器件激光器、探测器都依靠外国进口，其中激光器体积很大，致使整个探测设备制作完成后重达上百公斤，使用时往往需要两个人抬运或是车装运载，在监测时也不易放置，最重要的是造价成本很高，不利推广使用。

而随着中国在激光雷达探测领域的不断投入，国产激光技术的不断增强，目前中国已可以自主研发质量可靠的激光器，不仅体积小，价格也降低很多。王珍珠与团队在此优势基础上，将原来上百公斤的设备做到如今只有10公斤左右，而且性能更强，系统装备可实现野外一体化，昼夜连续自动运行，不仅节省人力，还可更精确地为气象部门提供关键保障。

中科院专项资助青年科研空间广

「最重要的是这款设备成本比原来降低一半还多。」王珍珠表示，搭载着新技术的激光雷达设备，已经在中国气象局、安徽人工影响天气办公室等气象部门得到成功应用，还为全国两会期间气象实况监测提供保障服务。

2011年，中科院专门成立「青年创新促进会」（下文简称青促会），有效组织和支持35岁以下的优秀青年科技工作者加入，最初提供40万元（人民币，下同）专项经费用于科研工作者的学术交流、培训、研发等，现在，这样的专项资助更提高到80万元。「通过加强对青年科技人才的培养和支持，可以促进其提升科研活动组织能力和综合素质，拓宽学术视野，造就新一代学术技术带头人。」作为会员的王珍珠说。

他介绍，截至2020年底，青促会会员已达4,557人，其中对从资助期满的前六批会员中评选优秀会员514人。王珍珠基于该平台创新优势，成功研发野外一体化激光雷达设备，该设备带动了水相关气象要素整体探测技术的产业升级，荣获2019「青促会」科技成果转化贡献奖。

王珍珠（左一）与俄罗斯科学家进行交流。受访者供图

促成中俄建大气光学中心筹建大口径激光雷达装置

中国激光雷达技术近年来快速发展，目前在该领域中的国际地位已从原来的「跟跑」阶段，发展到现在的「并跑」甚至「领跑」阶段，中国科研院所与国际合作的机会也越来越多。

王珍珠透露，长期以来，安光所与俄罗斯大气光学所一直保持学术合作，俄罗斯大气光学所在理论研究方面极具影响力，而安光所在产学研设备研发上优势明显，在王珍珠看来，双方有着很大的合作空间。为此，他积极促成双方展开深度合作。

2019年，中俄大气光学联合研究中心在安徽合肥正式揭牌，双方在激光大气探测技术、大气分子光谱学等研究和重大科学基础设施建设等方面进行一系列探索。王珍珠介绍，包括建立卷云微物理参数激光—微波联合探测技术和反演模型等，双方围绕国际性前沿问题已合作研发了多项成果。

超级观测站将覆盖北半球

近年来地球大气中水含量逐渐升高，而监测大气中的水含量对洪水、暴雨等自然灾害有着较强的预警作用。王珍珠介绍，基于中俄联合研究中心的平台，双方将在俄罗斯西伯利亚地区和中国江淮地区建立国际性大气光学「超级观测站」，监测范围可覆盖整个北半球，配备装置精确度极高，甚至可以观测到雪花的大小和数量，为全球灾害性气候监测作强而有力的后盾。同时，筹建国际一流的全高程独立大口径激光雷达大气探测平台的计划亦在同步进行中，该平台的建立对研究全球气候变化以及治理雾霾、预报天气等都具有重要意义。王珍珠更表示，未来，该激光雷达探测装置的建设和运行，将面向国内外学者开放共享，推动全球天气预报和气候变化研究发展。

人物名片

王珍珠，1981年生，博士，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副研究员、课题负责人，硕士生导师，安徽省气象学会常务理事，中国科学院「青促会」合肥分会副会长和工装分会理事。自2004年起，一直从事激光大气探测技术及应用研究，在大气探测激光雷达系统研发、数据反演、理论分析和大气参数新技术新方法研究和应用方面成绩突出。

工作期间曾主持基金委自然科学基金青年项目，科技部973计划项目子课题，中科院国际人才计划PIFI项目以及「俄乌白」专项项目等。2017年入选中科院「青促会」会员，2020年入选安徽省杰青项目。

发表学术论文80余篇，其中国外三大检索工具之一科学引文索引（SCI）收录40余篇，授权发明专利10项，参与著书1部，获2019年中国科学院「青促会」科技成果转化贡献奖——院地合作贡献奖（个人），被评为安徽省气象学会第一届优秀会员。

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