24小时咨询热线： 4006666666 专访中国工程院院士刘文清：环境光学监测就像给大气做CT 未来还需进一步处理探测器芯片等核心技术
发布时间：2025-05-04 点此：563次
2014年开端，拍摄爱好者王汝春每天用相机对准天空的同一方向，留下一张“天空实录”。斗转星移，现在王汝春现已拍下了3000多张相片。
翻开这些相片，人们很简单看到，天一年比一年透亮。湛蓝的天空飘着朵朵白云，这样的好天气正变得寻常起来。
党的十八大以来，我国以史无前例的力度向大气污染宣战，先后颁布施行《大气污染防治行动方案》《打赢蓝天保卫战三年行动方案》，明晰大气污染防治作业的全体思路、根本方针和首要任务。
环境的改动光是肉眼看还不行，咱们需求专业、谨慎的环境监测。
十年来，我国生态环境监测技能获得了什么展开？在加强自主立异和研制方面做出了哪些尽力？在世界上水平怎么？
带着这些问题，《每日经济新闻》（以下简称“NBD”）记者在党的二十大举行前夕，专访了我国工程院院士、中科院安徽光学精密机械研讨所学术所长刘文清。
刘文清
环境监测技能步入再立异阶段
NBD：在生态环境保护中，环境监测发挥着重要效果。您能否结合本身阅历，谈一谈我国环境监测技能的展开进程？有哪些要害的时刻点或许事情？
刘文清：生态环境监测技能与仪器，是信息时代生态环境科学技能展开的源头，是生态环境科学研讨的“先行官”，也是我国绿色低碳展开的“倍增器”。我国生态环境问题的处理离不开先进的环境监测技能和仪器。
十几年来，我国环境监测技能展开很快，现已走过引入消化吸收阶段，步入了再立异阶段。跟着环境监管要求的进步，我国的环境监测技能在长途化、智能化、支撑科学决策和精准监管等方面获得很大进步，可较好地支撑以空气、水质和污染源监测为主体的国家环境监测网络。
我国环境主动监测作业起步较晚，以空气质量主动监测仪器为例，2000年前我国城市空气主动监测子站简直悉数依托进口。若依托国外主动在线监测仪器，因为出资和运转费用过高，难以满意我国环境质量主动监测的需求。
环境污染物的构成、转化、运送和演化进程具有极强的时空相关性，所以，多组分环境污染物的快速、实时、动态监测技能是环境监测范畴科技作业者面临的严重课题。根据光谱学原理的环境监测技能，因为具有非触摸、无采样、高灵敏度、大规模快速监测等特色，是世界上环境监测技能的首要展开方向之一。
在中科院、科技部、生态环境部等部分的支撑下，咱们团队完成了一系列科研项目，研制了空气、烟气、尾气、颗粒物等几十种大气污染主动监测仪器，并与企业协作进行了产业化。
2000年4月，由两院院士组成的“先进环保技能范畴专题组”，向国家提交了一份《先进环保技能咨询陈述》，必定了咱们开发的多种环境监测技能，主张把“DOAS空气质量主动监测体系”“机动车尾气遥测体系”等列为国家要点展开项目。就这样，咱们从最早的差分光学吸收光谱（DOAS）技能，逐步展开了可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）、光散射等一系列环境光学丈量技能，完成了对大气环境的一次、二次污染物的快速、立体、在线监测，并拓宽到水体藻类、有机物和土壤重金属等方针的高精度在线丈量，根本支撑构建了以空气环境监测、水质监测、污染源监测为主体的国家环境监测网络。
咱们深入地体会到，我国要完成环境监测现代化，有必要展开具有自主知识产权的先进监测技能和仪器设备，这样才干处理咱们自己的问题。
NBD：您其时为什么会挑选这个研讨范畴？经过数十年的展开，您以为最大的改动是什么？
刘文清：我结业于我国科技大学物理系光学与激光专业，然后在中科院安徽光机所作业,也在多国的高校和科研院所作业或学习过。我从事过大气环境污染激光雷达勘探和光学遥感使用研讨、环境污染的光谱学技能研讨，也从事过激光在生物医学中的使用研讨。
给我形象深入的是，1995年国外发射了选用光谱技能的大气环境监测卫星，能够获得区域和全球大气环境污染的情况。但是，回国后我发现我国的环境监测根本上处于现场采样、试验室剖析阶段，采样仪器以手动、半主动为主。直读型、在线型、应急仪器根本上是国外产品。
2000年开端，国家重视空气质量日报作业，推进全国主动监测体系建造，也促进了空气主动监测体系设备的国产化。
每种大气污染物都有自己的光谱特征，就像人的指纹相同。咱们环绕光与大气污染物质相互效果的研讨，树立污染物的光谱特征数据库，研制污染物的光谱定量解析算法，掌管树立了环境光学监测技能研讨渠道，展开对多种污染物的监测技能办法研讨。
经过多年的展开，我以为最大的改动是构成了我国环境光学监测技能体系，自主研制了一系列大气、水体、土壤等多要素在线监测与高分辩遥感设备，为我国环境监测技能向天空位一体、陆海统筹、上下协同、信息同享环境监测网络展开供给了实践经历与技能支撑，加快了我国环境监测现代化进程，促进我国环境质量显着改善。
作业中的刘文清
从一个芯片、一个接口开端研制
NBD：环境监测触及许多高精尖技能立异，在加强自主研制方面，咱们做了哪些耐久的尽力？党的十八大以来，获得了哪些突出成绩？
刘文清：近年来，环境光学技能的展开由地基渠道走向空基、天基渠道。
在空基渠道方面，咱们研制了环境大气成分勘探体系，用于机载快速获取区域环境大气监测参数的环境大气成分勘探体系，2013~2019年，这套体系参加了数十架次的飞翔，获取了飞翔途径上的大气二氧化硫、二氧化氮、臭氧等污染气体的浓度，为地上监测仪器和星载仪器监测做了有用的弥补。
在天基渠道方面，高分五号上天曾经，咱们国家没有自己的大气痕量气体观测卫星，相关数据受制于国外，比较被迫。从2005年开端，咱们就重视大气痕量成分的监测，但直到五年后，国家高分方案正式出台，荷载光学环境监测设备的环境监测卫星研制才走向了台前。
回想研制初期，咱们焚膏继晷查资料、做试验，从一个芯片、一个接口开端研制，终究处理了太空环境下卫星载荷光谱形变、波长漂移等要害问题。
2018年5月9日，我国榜首颗高光谱归纳观测卫星高分五号在太原基地发射成功，并顺畅进入轨迹。卫星上搭载了团队研制的我国榜首颗大气痕量气体观测载荷——大气痕量气体差分吸收光谱仪、高光谱观测卫星（高分五号02星）。到2022年4月，大气环境监测卫星（简称大气一号）继续搭载了安光所经过改善的大气痕量气体观测载荷。
该设备使用光谱继续遥感成像的原理，供给全球大气污染的散布特征和时刻序列的改动。系列卫星上的被迫遥感观测，最大成像幅宽到达2600公里，能确保每日一次的巡查，能够明晰地动态地把握全球污染信息，不只微观上为咱们操控大气污染供给技能支撑，还能够愈加科学地拟定展开规划和产业结构方针。
NBD：环境监测有哪些详细的使用场景，在疫情防控进程中，发挥了哪些重要效果？
刘文清：环境监测能够使用于空气质量监测、污染源排放监测、大气成分勘探、安全生产进程监控、应急监测等，能够服务于环境、气候、海洋、公共安全、应急办理等范畴。
比方空气质量监测方面，针对农田氨蒸发多点监测、时刻分辩率低、可比性差的难题，咱们研制的原位高可靠性增程光学监测体系，能够实时测定氨的浓度和散布，为农田温室气体减排、进步耕耘功率等前沿性科学问题供给技能支撑。
应急办理方面，针对输气管线对易燃易爆、有毒有害气体走漏在线监测和实时预警的需求，咱们使用激光吸收光谱技能，能够完成公里量级长度输气管线有害气体和易燃气体的防爆、非触摸式在线监测等。总归，环境监测的使用场景很广泛，在国民经济展开中发挥着重要效果。
在疫情防控中，大气环境要素对疫情传达和防控具有重要效果。在疫情开始爆发期间，针对疫情产生地定点医院、方舱医院、阻隔医院、社区周边及武汉全体环境缺少高时空分辩率的大气环境要素数据。
所以2020年疫情初期，我带领团队前往武汉展开走航观测，咱们的试验车装备了研讨团队自主研制的气溶胶和臭氧勘探激光雷达等7套大气环境立体勘探设备，能够完成对从近地上到5公里高度大气气溶胶和臭氧的实时勘探，以及对230余种蒸发性有机物的秒级快速监测。
经过观测，获得了重要场所新式冠状病毒、大气气溶胶、消毒剂蒸发气体、有毒有害气体、环境空气质量和气候要素等的时空散布、分散与传输特征。为重要场所的病毒传达危险点评、环境影响要素剖析，以及消毒效果点评与副效果操控供给了要害技能设备与数据支撑。
这些研讨成果，关于点评要点场所周边的环境危险，施行更合理的消毒办法，剖析经济活动对环境空气质量的影响，都有必定的学习效果。
作业中的刘文清
环境光学监测犹如给大气做CT
NBD：您曾说到，环境光学监测就像是给大气做CT扫描，为什么这么说？我国光学监测技能在世界上处于什么样的水平？
刘文清：关于环境光学技能，浅显地讲，空气中有各式各样的成分，包含污染物，它们都有自己的特征吸收光谱，一束光打出去或许使用太阳散射光，各式各样的空气组分或许污染物会在某一些频率上对光波进行吸收，构成特征吸收光谱。就像人的指纹，经过一些仪器、设备和必定的计算办法、剖析办法就能把它们检测、丈量出来，这样就能够知道光路上不同高度的污染物成分和含量，犹如给大气做一个CT扫描。
在地基遥感监测方面，经过软硬件技能的立异，拓宽了大气痕量成分的监测组分，从曾经只能监测二氧化氮、二氧化硫、甲醛和气溶胶，到现在还能监测气态亚硝酸、水汽和部分VOCs等成分，为大气污染成因机理的深入研讨供给了名贵的数据支撑。
我国自主研制了大气氧化性勘探体系，成功使用于外场观测，使得我国成为世界上为数不多的能完成超痕量大气自由基勘探的国家。
在卫星遥感方面，我国完成了超光谱环境监测卫星高分五号01星和02星的自主规划、发射和数据收集。根据该系列卫星，开发了一系列原创性技能，克服了硬件缺乏的缺陷。
一起，还经过交融地基遥感产品，自主研制了多种要害性大气污染物的卫星反演算法，并在国家严重活动期间的大气环境监测方面获得了成功使用，这标志着我国此类监测技能现已处于世界先进队伍。
此外，为助力完成碳达峰、碳中和方针，我国历时两年攻坚克难，发射了首颗温室气体监测卫星TanSat，处理了光谱质量低一级一系列技能难题，成功反表演全球二氧化碳产品，其精度挨近世界最先进水平，使我国成为继日本、美国之后的全球第三个能够独当一面供给全球二氧化碳反演产品的国家。
NBD：我国光学监测技能的展开阅历了哪几个重要阶段？您觉得最困难的是在什么时候？
刘文清：总的看来，我国光学监测技能的展开首要阅历三个阶段。
榜首个阶段，是面向国家对空气质量、污染源在线监测技能需求，展开了二氧化硫、二氧化氮、臭氧以及颗粒物（PM10/PM2.5）等光学在线监测技能。这使得我国环境监测技能由传统的手艺采样、试验室剖析向主动在线监测技能跨过，有力支撑了国家环境空气质量主动监测网的建造。
第二个阶段，首要是展开了区域污染的立体勘探技能，选用紫外-可见-红外全光谱勘探技能，完成了区域污染的时空散布监测，以及分区域污染排放通量和跨区域污染运送监测。弥补了惯例事务监测网络在监测手法、监测内容和监测规模方面的缺乏，为提醒污染时空改动、污染排放、跨界运送的研讨和环境办理供给重要科技手法。
第三阶段是展开先进环境光学监测技能。从地基渠道走向机载、星载渠道，自主研制的卫星渠道载荷（高分五号EMI）获取了大气痕量气体等的全球散布情况。完成了我国大气环境监测从地基遥感，到机载和星载渠道区域及全球大气环境遥感监测的严重跨过。
展开了面向环境科学研讨的高端监测技能装备，研制了大气HOx（氢的氧化物）自由基外场实时在线勘探技能体系，使我国成为世界上少量几个把握了自由基外场勘探技能的国家之一。整个技能展开进程由追逐国外技能，到与国外技能并跑，再到部分技能领跑。一起，技能展开也由技能集成逐步到整个设备的高度国产化、自主化。
最困难的是榜首展开阶段，其时国产光学监测技能设备刚起步，要不断进步技能水平和经历堆集，经过进步国产设备的稳定性、可靠性，终究完成对进口仪器设备的代替。
需展开原创勘探原理办法和技能体系
NBD：光学监测技能的打破会给环境监测范畴带来哪些新改动？未来，光学监测技能展开还需求补齐哪些“短板”？
刘文清：光学监测技能具有光学技能的优势。光学技能的打破将带来许多新的改动，如多标准立体监测技能，包含硬件、软件，将完成全天候自适应网格化环境立体监测，构成环境信息的“才智全球”。光学器材的微型化，将完成环境多要素的精密传感/勘探，如环境传感耦合手机构成实时全网监测大数据。
未来光学监测技能的展开，还需求进一步处理相关光源、勘探器芯片等核心技能，展开原创的勘探原理办法和技能体系，展开面向多介质、多要素、多标准的光学监测技能，引领环境光学监测技能展开。
NBD：聚集您的专业范畴，未来期望在哪些方面有进一步打破？
刘文清：国内方面，跟着我国大气污染管理的不断深入，污染源结构产生明显改动，污染的成因也产生快速改动，我国大气污染防控还存在许多应战。
比方，现在首要城市群颗粒物中二次成分的占比不断上升，与此一起，全国大气臭氧浓度不断添加，单个城市呈现臭氧引起的污染。因而，PM2.5和臭氧协同操控成为大气污染管理的深水区。
因而，接下来监测的要点和难点是怎么有用操控PM2.5和臭氧浓度，以及最重要的相关前体物。
此外，咱们一方面要继续推进全自主国产化的温室气体总量观测技能，牢牢把住数据安全大门，另一方面要展开深度世界协作，经过参加全球碳观测网来进步我国温室气体监测成果和区域碳排放监测数据的公信力。
（本文图片均由受访者供给）
每日经济新闻
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