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，中國科學院合肥研究院安徽光學精密機械研究所（簡稱“中科院安光所”）的龔知本、周軍、胡歡陵等科學家聞訊而動，利用自行研制的L625多波長激光雷達，在合肥的“科學島”上對其進行了成功的監測。自此之后，激光雷達探測技術在中科院安光所得到了長足的發展。

20世紀90年代后期，中科院安光所順應新時代變局，根據學科發展和國家需求，提出了未來發展的明確定位：發展以激光大氣傳輸為重點的大氣光學，以環境監測技術為重點的環境光學，以可調諧、全固化激光器（包括晶體）為重點的激光技術等。恰逢其時，大學畢業的劉東被推薦到中科院安光所攻讀碩士研究生，由此與激光雷達探測技術結緣。

扎根激光雷達研究領域多年，劉東先后主持研制了國內首臺偏振、多波長拉曼、機載雙波長和側向散射等激光雷達系統，經過專家鑒定達到了國內領先和國際先進水平，并應用到了氣象、環保和全球變化研究領域。如今，隨著激光雷達探測技術應用的擴展，劉東也正在積極進行著新的嘗試。

創新探測技術

2005年，劉東從中科院安光所博士畢業，留所工作一年后，前往美國懷俄明大學大氣科學系從事博士后研究工作。在美國，劉東主要做A-Train衛星序列（The Afternoon Constellation，美國NASA發射的一系列編隊飛行衛星）的數據分析方面的工作，他利用美國云-氣溶膠激光雷達和紅外探測者衛星（CALIPSO）全球觀測數據，首次分析了全球沙塵氣溶膠垂直分布的情況，被JGR-Atmosphere雜志評為當期的亮點文章，同時利用星載激光雷達和微波雷達的數據，揭示了全球卷云和對流云的垂直分布特征。

2009年，劉東結束在美國的工作后回到了中科院安光所。“回來以后我主要從事硬件設備的研究工作，因為要做一流的科學研究的話，所使用的設備必須要自己研發，自己去做，才能有好的成果出來。”因此，劉東承擔了我國重大科學基礎設施航空遙感系統機載雙波長偏振激光雷達載荷的研制工作，其研究成果填補了國家在該方面的空白。

之后，劉東又做了多波長聯合探測技術反演大氣氣溶膠譜垂直分布的探索。他形象地介紹說：“多波長探測是精細化的探測，是光學參數探測邁向微物理參數的探測。光學參數是知其然，而微物理參數是知其所以然。”從光學參數到微物理參數的激光雷達新技術是近些年國際上的發展趨勢，劉東及其團隊在國內首先研制了該型雷達，并得到了國家自然科學基金面上項目的支持。

劉東和他的團隊正在嘗試發展大口徑望遠鏡激光雷達探測技術，積極推動世界最大望遠鏡激光雷達系統的落地，目前，前期的預先研究正在進行中。相較于提高激光發射能量而言，增加望遠鏡半徑，其接收面積會按照半徑的平方關系增加，激光雷達的信噪比將會大大提高。可以實現激光雷達在更小的時間分辨率、更小的垂直分辨率上探測，揭示極端分辨率下的大氣現象及其規律。同時，大口徑望遠鏡激光雷達的探測高度也會更高。

探測大氣狀態

自工業革命以來，在人類活動和自然因素的雙重影響下，全球氣候狀況正經歷著全球增溫、霧霾、極端氣候事件頻發等一系列變化，嚴重影響著人類的生產生活。氣溶膠和云的相互作用是氣候和天氣預測中的重要組成部分，對地氣系統的輻射平衡、水循環和能量循環有著重要影響。然而，氣溶膠和云是怎樣相互作用的，至今仍沒有人能完全搞清楚，這一問題已經成為未來全球氣候變化研究領域的重點。

2013年，劉東承擔了國家重大科學研究計劃項目“云、氣溶膠氣候效應的觀測與模擬研究”里面的“云宏觀、微觀和大氣狀態參數的綜合觀測研究”課題研究。在該研究中，劉東團隊進行了大氣氣溶膠和云參數的主被動、多波段、多平臺的協同觀測研究。

在大氣中，不同的高度，云的狀態不同，在某一個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隊想要搞清楚的一個問題。為此，團隊研發了基于現有的地基激光雷達和微波雷達相關算法，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的高度分布。除此之外，劉東團隊還聯合激光雷達和微波輻射計測量研發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；研發了拉曼激光雷達氣溶膠、水汽和溫度協同探測技術。

劉東還參與了組織天—地—空綜合觀測實驗，使用地基多波長和拉曼激光雷達連續測量大氣氣溶膠、溫度和濕度廓線，提供了綜合觀測實驗期間的地基遙感垂直觀測數據。他說道：“中國目前存在大氣污染問題，通過研究我們想知道這種污染情況是否會對云的屬性產生影響。”

課題實施期間，劉東及其團隊成員在項目首席的帶領下通過認真開展觀測試驗，對觀測數據進行深度挖掘分析，產出了一批在國際上有影響力的研究成果，遠超預期考核指標。最重要的是，通過該課題的實施，打造了一支高素質的實驗觀測和數據分析相結合的研究隊伍。

推動成果轉化

在研發新算法、研制新設備、創新實驗方法的同時，劉東也在積極推動研究產品的產業化。他介紹說，之前用激光雷達探測大氣是垂直探測，所取得的實驗數據都用于科學研究，但是后來發現激光雷達對環保部門有著重要作用。

“用激光雷達水平觀測，也就是在城市中的某個制高點，進行水平掃描周圍同一高度的區域，就可以發現哪些地方有污染排放，其排放強度如何。”劉東表示，這樣就可以大大提高環保部門的執法效率。目前，在中國科學院合肥物質科學研究院有專門實現產業化的平臺，在這個平臺中，劉東團隊也正在積極孵化環保領域需要的產品。他說道：“我們希望可以基于現有的成果，進行產業化，將產品用于氣象，用于環保，或者用于其他的一些領域，真正地把我們的技術與行業結合起來。”

2017年，劉東承擔了中國科學院科技服務網絡計劃區域重點項目“水相關氣象要素探測設備工程化研發和產業化”。針對當前氣象業務化探測設備的局限性，劉東提出采用激光雷達、全天空云圖儀和降水天氣現象儀來分別探測大氣水汽廓線、云和降水，獲得高時間分辨、全相態和晝夜連續的水相關氣象要素，為氣象站點提供一體化的綜合探測設備。此外，團隊還突破了長期穩定工作、外場定標和數據實時反演等工程化關健技術，實現了具有自主知識產權的氣象探測裝備的產業化，相關設備也獲得了中國氣象局頒發的“氣象專用技術設備使用許可證”，帶動了水相關氣象要素整體探測技術的產業升級。

眾所周知，激光雷達因其強大的環境感知能力，不僅僅在大氣探測領域，同時在遙感測繪、目標識別和智能駕駛等領域，也被認為是不可或缺的傳感器。隨著這些研究領域技術需求的推進，激光雷達市場也在逐漸打開。劉東的研究也涉及這些領域，并做了初步嘗試，他坦言有些構想在技術上可以實現，但是怎樣降低成本、提高穩定性是目前亟需解決的問題。隨著萬物互聯世界的到來，激光雷達勢必還有更大的應用空間，劉東和他的團隊正緊跟時代的腳步，不斷突破，不斷創新。