兰州大学研制出我国首台雾霾检测激光雷达系统

日前，兰州大学大气科学学院黄建平教授科研团队成功研制出中国首台具有自主知识产权、世界一流水平的拉曼-荧光激光雷达系统，标志中国跻身掌握世界先进激光雷达技术的行列。该仪器着重突出对大气颗粒物成分与浓度的分析，首次运用雷达探测出大气中水汽成分，最多可测定38个波段，填补了我国在多波段拉曼-荧光激光雷达领域研发的空白。黄建平教授表示，成功研制具有多波段拉曼-荧光雷达系统仅仅只是一个开始，多波段拉曼-荧光激光雷达还将在甘肃敦煌等地进行观测研究。

PM2.5已严重影响着生产生活，但是人们却显得束手无策，既不能准确分析具体成分与浓度，也不能做出事前预警。然而，由黄建平团队研制出的多波段拉曼-荧光激光雷达，有望进一步揭开大气颗粒物神秘的面纱。

目前，我国在应对气候变化、环境污染、空间环境监测等领域对激光雷达技术有迫切的需求，一直来严重依赖国外进口。国外激光雷达造价昂贵，而且功能有限，一般只能测到少数波段，信号分析源少，而且普通雷达还无法准确测出固体颗粒物的浓度与成分。同时，这些高精度仪器先天生存校准环境的优越性，到了兰州等自然条件恶劣地区常常显现出水土不服的情况，比如很难适应气候干、温差大、颗粒物浓度高，从而导致仪器不能正常使用。

多波段拉曼-荧光激光雷达是运用微弱信号探测、高精度分光、光机设计和加工等技术，采用高功率激光器同时发射紫外、可见、近红外光束，利用大口径望远镜接受大气反射信号，从而对信号进行分光、提取与探测的仪器。主要通过接收信号，以绿光、红外光、紫光的顺序通过光学镜片分段、再通过光电倍增管和光谱仪出图分析。可测定38个波段，其中运用光谱仪测定的有32个，运用探测器测定的有6个。激光雷达的激光能量为350mJ，望远镜直径为35cm，空间分辨率为3.75m，时间分辨率为1分钟（其中荧光信号为5分钟），可探测高达15公里的大气颗粒物信息。仪器的形状为L型，其中高度为110cm，长度为150cm，宽度为60cm，重量约为80公斤。

人们期待的“蓝天工程”中天空的“蓝色”，是光瑞利散射作用的结果，该波长散射前后并没有发生变化。但是荧光通过散射后前后波长发生改变，在不同介质中产生不同结果。同时，通过接收180个纳米宽32个波段的荧光信号和拉曼信号，不仅大大提高了信号数据的反演精度，而且可对散射变化的频率测定物质成分。因此运用拉曼-荧光的这一散射原理，黄建平团队可以探测出大气水汽、颗粒物等属性与浓度。

然而，拉曼信号强度约是米散射信号的千分之一，荧光信号则是拉曼的十分之一。这样微弱的信号对数据分析产生了影响。黄建平团队通过光谱仪对光谱接收信号，进行大胆探索。通过光谱分析在物理、化学、生物领域有着广泛的应用，但在激光雷达大气科研领域的应用还处于新兴领域。

为了更好分析固体颗粒物的形状，科学家们还在多波段拉曼-荧光激光雷达中加入偏振晶体。根据米散射理论，球体颗粒物的比值为0，而非球体的比值大于0，从而对分析沙尘，区分颗粒物种类起到明显作用。同时由于拉曼的“物质种类确定，只要知道发射光的波段，就知道拉曼的波长”原理，多波段拉曼-荧光激光雷达还可以发射特定波段激光，这将大大细化对具体颗粒物形状的分析研究。

团队成员、青年教师黄忠伟博士和博士生周天表示，激光雷达具有重要的应用价值和广阔的产业化前景。在接收信号的基础上，黄建平团队还将加大力度对信号分析的研究，试验成熟后多波段拉曼-荧光激光雷达还将进行相关科研探测。对空气固体颗粒成分的浓度高精度分析，做出有效预警。分析大气中细菌、病毒含量，研究气象与人的关系，进一步发展医疗气象。同时该雷达探测的数据还对细化气象模式起到提高模拟精度与准确度，提高天气预报的准确率。