讓光沖破大氣環(huán)境監(jiān)測的迷霧

宋潔

冰川逐漸融化，海平面上升，北極熊、企鵝不斷失去家園，干旱、臺風(fēng)、霧霾等惡劣天氣越來越多，暖冬之后蝗災(zāi)泛濫……造成這一切災(zāi)難的原因就是全球氣候的變暖。1981—1990年全球平均氣溫比100年前上升了0.48℃。到20世紀(jì)末，全球平均氣溫預(yù)計(jì)上升1.9℃到4.6℃。近一個(gè)世紀(jì)以來，人類大量使用礦物燃料（如煤、石油等），排放出大量的二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）等多種溫室氣體，使得全球氣溫不斷升高。在改變生活方式，減少熱量排放的同時(shí)，如何利用科技手段來對溫室氣體排放及其分布、變化進(jìn)行監(jiān)測，以指導(dǎo)相關(guān)研究和政策制定，已成為當(dāng)今全球的科研熱點(diǎn)。在眾多進(jìn)行溫室氣體探測的科學(xué)家中，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡稱“中科院安徽光機(jī)所”）副所長、博士生導(dǎo)師熊偉正是其中之一……

不畏艱難，勇攀光學(xué)領(lǐng)域科研高峰

1994年，19歲的熊偉考入了武漢理工大學(xué)。由于從小就喜歡物理、數(shù)學(xué)，熱衷于電子學(xué)、信號處理及算法運(yùn)用，熊偉毅然地選擇了應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)。本科畢業(yè)后，成績優(yōu)異、能力出眾的熊偉被母校留了下來?！傲粜９ぷ鞯?年里，我真切地體會到，要想從事科研工作，只依靠本科所學(xué)的知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了提升自己的專業(yè)技能，我想進(jìn)一步深造?！毙軅フf。于是在2004年和2007年，他在中科院安徽光機(jī)所分別獲得了光學(xué)專業(yè)理學(xué)碩士和博士學(xué)位。畢業(yè)后，熊偉就留在了光機(jī)所工作，主要從事超光譜遙感儀器機(jī)理及其新型領(lǐng)域應(yīng)用研究。

光譜是指復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)（如棱鏡、光柵）分光后，被色散開的單色光按波長（或頻率）大小而依次排列的圖案，全稱為光學(xué)頻譜。地球上不同的元素及其化合物都有自己獨(dú)特的光譜特征，光譜也因此被視為辨別物質(zhì)的“指紋”，是用以識別和分析不同物質(zhì)特征的一張“身份證”。關(guān)于光譜的研究，已有幾百年的歷史。1666年，牛頓通過玻璃棱鏡把太陽光分解成了從紅光到紫光的各種顏色的光譜。他發(fā)現(xiàn)，白光實(shí)際是由各種顏色的光組成的。這算是人類最早對光譜的認(rèn)識。其后，一直到1802年，渥拉斯頓觀察到了光譜線。在1814年，夫瑯和費(fèi)也獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)它。隨后，夫瑯和費(fèi)公布了太陽光譜中的許多條暗線。由此，光譜逐漸發(fā)展為一門學(xué)科。

在這里，還需要科普一個(gè)概念——光譜分辨率，它是指儀器區(qū)分電磁光譜各波長間隔的能力。光譜的分辨率越高，對物質(zhì)光譜特征的識別能力就越強(qiáng)。在紫外可見波段，一般分辨率幾十納米量級的為多光譜，幾納米的是高光譜，分辨率為零點(diǎn)幾個(gè)納米的，則是超光譜。

熊偉正是利用高光譜和超光譜來進(jìn)行大氣成分遙感探測的。他解釋道：“常見遙感衛(wèi)星的主要功能是對地拍攝圖像，獲得地表信息，用于測繪、地物類型識別等，我們稱之為‘看圖說話。這種方式能看出一些污染的結(jié)果，比如已成型的水體污染；但是對于大氣污染監(jiān)測而言，必須要區(qū)分污染物質(zhì)類型、定量化污染成分的濃度，所以光靠‘看圖說話是不行的，常規(guī)的對地成像技術(shù)也很難實(shí)現(xiàn)。需要利用‘特殊的光學(xué)技術(shù)手段，諸如高光譜、超光譜這些，才可以精確地探測大氣層中的污染氣體成分、溫室氣體含量等?！?/p>

從事研究工作以來，熊偉先后主持了中科院國防創(chuàng)新基金、國家自然科學(xué)基金、原“863”計(jì)劃、中科院知識創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目、高分專項(xiàng)、空間基礎(chǔ)設(shè)施專項(xiàng)等項(xiàng)目。他完成了相應(yīng)型號的光學(xué)遙感儀器、控制設(shè)備的研制以及相關(guān)數(shù)字信號和圖像處理技術(shù)等方面的研究，應(yīng)用于遠(yuǎn)程拉曼光譜探測、中高層大氣OH自由基層析探測和震前逸出氣探測等前沿科學(xué)研究領(lǐng)域，主持完成了國際首臺基于靜態(tài)干涉體制的溫室氣體探測載荷并成功在軌運(yùn)行。此外，熊偉已發(fā)表了論文50余篇，獲專利10余項(xiàng)，獲得中國兵器工業(yè)集團(tuán)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)和工信部國防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)各1項(xiàng)。

成功不是偶然，每份榮譽(yù)的背后往往需要異于常人的努力與付出。正如馬克思所說，“在科學(xué)上沒有平坦的大道，只有不畏艱險(xiǎn)沿著陡峭山路攀登的人，才有希望達(dá)到光輝的頂點(diǎn)”。熊偉清楚地記得，在一次將實(shí)驗(yàn)成果轉(zhuǎn)換為具體的衛(wèi)星工程型號研制的過程中，他就遇到了難題。“在實(shí)驗(yàn)室里，如果數(shù)據(jù)結(jié)果不穩(wěn)定，我們可以多次重復(fù)測算，直到結(jié)果符合要求為止。但在實(shí)際的研制階段，是不允許‘一次次重復(fù)的。在參與某項(xiàng)衛(wèi)星工程時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，有一個(gè)通道的數(shù)據(jù)信號特別小，但在實(shí)驗(yàn)階段，各方面的數(shù)據(jù)都是準(zhǔn)確無誤的?！北娝苤M(jìn)行衛(wèi)星研制時(shí)，必須嚴(yán)格按照規(guī)定時(shí)間節(jié)點(diǎn)來完成相應(yīng)的工作，其中任何一項(xiàng)工作出現(xiàn)問題，都會影響整個(gè)衛(wèi)星研制計(jì)劃。為了不耽誤整體進(jìn)度，熊偉和團(tuán)隊(duì)成員頂著壓力加班加點(diǎn)，仔細(xì)梳理整個(gè)研制流程，從現(xiàn)象出發(fā)到機(jī)理分析，通過理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐驗(yàn)證問題猜想，及時(shí)準(zhǔn)確地找到了癥結(jié)所在。也正是這種不屈不撓、迎難而上的精神品質(zhì)，促使熊偉在光學(xué)遙感領(lǐng)域取得一個(gè)又一個(gè)的成果……

突破創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境精準(zhǔn)監(jiān)測

要保護(hù)人類的家園，改善地球的環(huán)境，首先必須清楚生態(tài)環(huán)境的變化，這就要求對生態(tài)環(huán)境進(jìn)行定量監(jiān)測。如果只是自己的“一畝三分地”，憑借一雙肉眼或者一些地面設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。但如果是數(shù)百萬平方公里的土地和浩瀚的天空，僅靠地面上的“眼睛”是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。這時(shí)候，就必須依靠衛(wèi)星遙感這個(gè)“天眼”收集數(shù)據(jù)?，F(xiàn)如今，衛(wèi)星遙感已成為實(shí)現(xiàn)全球環(huán)境監(jiān)測最有效的方法和技術(shù)。

2018年5月9日，以生態(tài)環(huán)境部為牽頭用戶，自然資源部和中國氣象局等為主要用戶的環(huán)境專用衛(wèi)星——“高分五號”衛(wèi)星成功發(fā)射升空。遙感衛(wèi)星根據(jù)功能的不同，大概可分為3類：一種專職“看”地球，如陸地觀測衛(wèi)星、國土資源衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星等；一種專職“看”大氣，如氣象衛(wèi)星、碳衛(wèi)星等；還有一種專職“看”外太空，如各類天文望遠(yuǎn)鏡和深空探測器等?！案叻治逄枴钡膮柡χ幵谀哪?？那就是，它將大氣監(jiān)測和陸地監(jiān)測功能融為一體，這在世界范圍內(nèi)尚屬首次。此外，它還填補(bǔ)了國產(chǎn)衛(wèi)星無法有效探測區(qū)域大氣污染氣體的空白，可以滿足環(huán)境綜合監(jiān)測等方面的迫切需求，是我國實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率對地觀測能力的重要標(biāo)志。

“‘高分五號共搭載了6臺有效載荷，其中用于大氣環(huán)境探測的3臺主要載荷分別是大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測儀，由我們安徽光機(jī)所研制?！毙軅ソ榻B到，“其中，大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀主要由我負(fù)責(zé)?！?/p>

大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀是國際上首臺采用空間外差干涉體制進(jìn)行溫室氣體探測的有效載荷，它采用了全新技術(shù)路線，信噪比和信號靈敏度都很高，能定量監(jiān)測大氣中的二氧化碳、甲烷等溫室氣體，以此獲取這些溫室氣體的高精度吸收光譜信息，反演大尺度范圍大氣主要溫室氣體濃度數(shù)據(jù)，通過對區(qū)域大氣環(huán)境監(jiān)測以及全球溫室氣體起源與經(jīng)風(fēng)向傳播的“旅行圖”進(jìn)行分析等，為氣候變化研究及環(huán)境外交提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

“我們研制大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星載荷，還有一個(gè)目的，就是要增強(qiáng)我國在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的話語權(quán)，幫助國家環(huán)保部門、氣象部門拿到第一手的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)。”熊偉表示，美國、日本以及歐洲在這方面研發(fā)較早，有大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星，但他們提供的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過處理的，不是第一手的?！案叻治逄枴钡陌l(fā)射，對于提高我國衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)的自給率、減少我國對國外高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的依賴發(fā)揮了重要作用。

在進(jìn)行溫室氣體的監(jiān)測時(shí)，由于CO2在溫室氣體排放量中占了80%，被認(rèn)為是導(dǎo)致全球氣候變暖的最主要因素之一，因此大氣CO2的探測精度往往決定著氣候研究的準(zhǔn)確性。熊偉介紹道：“CO2是大氣中常駐微量氣體，由于大氣的混合作用，使其在濃度和濃度梯度方面相對于濃度背景均較小。研究表明，全球觀測區(qū)域尺度上大氣柱平均CO2干空氣混合比（XCO2）精度只有達(dá)到1%或更高，才能較好地降低其在氣候研究中的不確定性。進(jìn)一步提高大氣CO2的探測精度，成為溫室氣體監(jiān)測的難點(diǎn)。另外，由于云的存在，易造成溫室氣體探測數(shù)據(jù)的異常（如信號飽和），而且會影響大氣輻射的傳輸或造成精度較低，無法滿足反演算法要求。因此，如何破除云層干擾，也是我們要考慮的問題?！?/p>

為此，熊偉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展了“多模態(tài)大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀”的項(xiàng)目研究。他將國際上最常用的光柵光譜技術(shù)與傅里葉變換光譜技術(shù)這兩者結(jié)合起來，開發(fā)出一種新型超光譜分光技術(shù)——成像空間外差光譜技術(shù)（Imaging Spatial Heterodyne Spectroscopy-ISHS）。在二維空間方向上獲取圖像和干涉光程差，在時(shí)間維完成光程差的累積，該技術(shù)同時(shí)具有了干涉儀（FTS）的高通量和光柵光譜儀高空間分辨的優(yōu)點(diǎn)，且在一確定的中心波長范圍內(nèi)（如CO2的1575nm中心吸收帶），可以獲得空前高的光譜分辨率。

基于成像空間外差光譜儀技術(shù)，項(xiàng)目組采用多模態(tài)大氣溫室氣體探測方案，突出了靜態(tài)干涉成像、二維掃描、近紅外聯(lián)合熱紅外波段為基礎(chǔ)的新型多模態(tài)高光譜溫室氣體遙感技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高空間分辨率、大幅寬、不同高度層探測。通過此項(xiàng)研究，溫室氣體探測數(shù)據(jù)的空間分辨率及最終的反演精度獲得了顯著提高，我國溫室氣體探測技術(shù)水平由此會上升到一個(gè)新的高度。

除此之外，熊偉還將目光鎖定在OH自由基上。OH自由基是大氣中一種最重要的氧化劑，在流層大氣中幾乎所有的可被氧化的痕量氣體主要是通過與OH自由基反應(yīng)而被轉(zhuǎn)化和去除的。OH自由基濃度水平通常作為大氣氧化能力的指標(biāo)，也是局地大氣對痕量污染氣體自清潔能力的一個(gè)量度，因此OH自由基又有大氣“清潔劑”之稱。

目前，地球上中高層大氣OH自由基在大氣物理化學(xué)過程、全球氣候變化、大氣臭氧水平以及酸沉降等重大環(huán)境問題中的作用機(jī)制還不甚明了，亟待加強(qiáng)研究。作為一種“氧化劑”，OH自由基對于人類理解大氣中間層化學(xué)成分，尤其是對臭氧層的破壞、中間層頂水汽濃度反演意義重大。將一維分視場成像技術(shù)和空間外差干涉光譜技術(shù)相結(jié)合，利用二維正交觀測模式，有望實(shí)現(xiàn)中高層大氣OH自由基數(shù)密度的三維層析探測。

“超光譜大氣層析技術(shù)不僅是微弱信號OH自由基探測能力的問題，同時(shí)涉及大氣空間三維數(shù)據(jù)獲取的方式方法，以及與信息反演相關(guān)聯(lián)的工作模式等問題，均需要經(jīng)過深入研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因此，開展中高層大氣OH自由基層析探測項(xiàng)目研究，系統(tǒng)解決所涉及的探測理論、技術(shù)和應(yīng)用問題是十分必要的?！?/p>

于是，熊偉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對正交層析超分辨空間外差光譜儀方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合高靈敏度紫外弱光CCD探測技術(shù)和紫外波段定標(biāo)技術(shù)方法、OH自由基反演方法等方面的研究工作，首次完成了優(yōu)于0.008納米光譜分辨率光譜儀的研制。在此基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組成員完成了地基太陽直射和散射光譜探測試驗(yàn)以及航空校飛試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了光譜儀對不同區(qū)域、不同觀測幾何大氣散射信號的甚高光譜探測能力，并且為星載中高層大氣OH自由基層析探測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了有效可行的技術(shù)方案，這對于提升我國大氣環(huán)境立體探測技術(shù)水平，把握全球氣候變化、提高氣象氣候觀測水平、掌握大氣環(huán)境信息等方面無疑具有重要意義。

熊偉表示，現(xiàn)階段研制的監(jiān)測儀主要用于全球氣候變化研究，其空間分辨率為10公里。下一步，他們將研制用于環(huán)保執(zhí)法的監(jiān)測儀，空間分辨率會優(yōu)于1公里，對小范圍的超標(biāo)排放都能實(shí)時(shí)監(jiān)測到?！拔磥?，我們一定能獲取全球大氣污染物的精確分布信息，精準(zhǔn)定位污染源，讓大氣環(huán)境治理更加有的放矢?！毙軅フf。