【科學家探索故事】王珍珠突破激光雷達測量盲區 助力精準治霾
「熬通宵做實驗，因熱愛不覺苦。」
500米以內的近地面高空，是與我們生產生活聯繫最為緊密的空間，科研工作者從未停止對這一空間的監測。近年來，大眾對近地面高空的霧霾情況尤為關注。激光雷達是有效探測霧霾最先進的技術手段，然而，該技術在近地面探測存在「盲區」的技術瓶頸卻困擾業界多年。為了攻克難題，中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所（下文簡稱「安光所」）課題負責人王珍珠，通過近5年研發，利用「側向散射」激光雷達新技術，消除了這一技術「盲區」，並可以24小時精確、清晰地對近地面高空進行垂直立體探測，助力解析污染成因，從而「精準治霾」，團隊並推動了相關設備的國產化研發。◆香港文匯報記者 趙臣 安徽合肥報道
位於安徽省合肥市蜀山區科學島內的安光所，是中國致力於大氣環境遙感監測技術研發最為前沿的科研院所之一。2004年，從安徽師範大學物理系本科畢業的王珍珠，憑優異的成績被中科院安光所「要」了過來，開啟了他在大氣探測領域的科研探索。
搞科研沒周末 興趣隨年月增
「剛開始對激光雷達探測這一塊還不是很了解，碩士導師周軍研究員給了指導方向後，慢慢開始專注這一領域的研究。」王珍珠告訴香港文匯報記者，通過大氣激光雷達設備可以獲取大氣中溫度、濕度、風場、密度、顆粒物濃度、雲結構等各類物理參數，能幫助解決很多環境問題，隨着研究的深入，他越發對激光雷達產生濃厚興趣。
都說搞科研沒有周末，搞科研要耐得住寂寞。王珍珠剛到科學島時，那裏交通不便，去趟合肥市就像進城一樣，用他的話說，就像與世隔絕一般。「因為激光雷達設備研發需要長期積累大氣數據，所以剛開始我們幾乎每天晚上都要做實驗。」王珍珠記得，那時候設備的自動化水平還不高，需要人為全程操作，熬通宵做實驗、監測數據是常有的事。「我喜歡這個事情，所以一點沒覺得辛苦。」先後用激光雷達設備監測到其他國家發生火山噴發後一些顆粒物對中國平流層產生的影響，用設備捕捉到沙塵暴、煙塵等特殊現象數據，都令王珍珠特別開心。
系統結構缺陷 長期無人能解
王珍珠完全投入大氣激光雷達探測技術研發是在2011年前後，那時他即將博士畢業，激光雷達設備已普遍服務於國內外各大氣象、環保領域，但技術卻存在無法在500米以下近地面區域精準探測的盲區瓶頸。
激光雷達的基本原理是激光雷達發射一束激光脈衝，激光在傳輸的過程中與大氣中的物質相遇並相互作用，後向散射信號被接收，通過不同的反演算法可以得到物質的光學性質與微物理性質。
傳統激光雷達採用「後向散射技術」，該技術過程中激光束與接收望遠鏡之間不完全重疊，導致近場範圍內一部分激光的後向散射回波信號並未返回到望遠鏡接收系統，影響了激光雷達在近地面範圍內的測量，這一部分區域被稱為激光雷達的探測盲區。
王珍珠表示，這一技術瓶頸在近地面霧霾等污染參數監測上尤為明顯。長期以來，科研工作者針對傳統激光雷達探測存在的過渡區、盲區問題進行了很多探索，但因系統結構本身決定的盲區部分，卻始終消除不了。探測盲區的高度通常在100米到幾百米不等，而500米以內的近地面高空是與人類活動最為密切相關的，大氣監測特別是霧霾探測亦主要在這個範圍內，如果能突破盲區，準確捕捉污染因子，將對污染防控及治理起到重要作用。然而王珍珠團隊反覆嘗試了多種傳統辦法，卻始終沒有突破。
導師一語點醒 闢新徑破瓶頸
在一次科研外場實驗中，王珍珠與其博士導師王英儉研究員聊起探測盲區的問題，導師建議他，既然傳統「後向散射技術」方案行不通，能否另闢蹊徑，試試「成像」探測的方法。這讓王珍珠茅塞頓開。經過多次嘗試，王珍珠團隊基於CCD成像的側向散射激光雷達，將發射裝置（激光器）與接收裝置（CCD相機）分兩處放置，採用「側向散射技術」方案（見圖解），這樣的系統設計本身就沒有過渡區和盲區，在近地面段的測量精度大大提高，同時由於使用了側向散射技術，其近地面段的空間分辨率也更高。
而這一創新設計在監測過程中，除了接收大氣分子等信號外，還有背景光、干擾光、暗電子數等噪聲信號，因此，在實際監測過程中，對信號提取、噪音去除、光強度轉換等有了更高的要求。為此，王珍珠團隊通過多次研發，最後採用窄帶光譜濾光、時間選通參數的設計和遮光筒的應用，解決了白天強背景下弱信號的探測難題。同時，團隊採用高斯信號提取、透過率校正、探測高度校正等算法，更準確獲取霧霾天氣近地面層大氣回波信號。經過5年多的反覆實驗，王珍珠團隊終於在2015年底成功解決了激光雷達近地面探測盲區難題。
