【该项目荣获第七届中国光学工程学会科技创新奖-技术发明奖二等奖】
大气环境污染问题是21世纪人类面临的最严重挑战之一，实现大气污染物时空分布的有效监测是溯源并控制大气污染扩散的关键途径。大气激光雷达（Lidar）技术是一种主动式光学遥感探测技术，可探测大气环境中颗粒物时空变化，其在空间分辨率、探测灵敏度、抗干扰能力及实时监测等方面具有独特的优势，已成为大气环境监测不可或缺的重要手段之一。
图 1. （a）沙氏大气激光雷达原理（Liang Mei*, et al., Laser and Photonics Reviews 2015），成像系统可对不同距离上的激光光束清晰成像，具备理论上无穷远景深，（b）像素-距离关系及分辨率。
针对当前大气环境监测的迫切需求，项目组在国际上提出基于沙氏成像原理（Scheimpflug Principle）的沙氏大气激光雷达（Scheimpflug Lidar，SLidar）新方法（Liang Mei*, et al., Laser and Photonics Reviews 2015）。该方法通过对发射到大气中的激光光束在满足沙氏成像原理的条件下进行清晰成像，以角度分辨的方式获得距离分辨的大气后向散射信号，如图1所示。基于这一原理，SLidar可采用高功率二极管激光器作为光源及二维图像传感器作为探测器。相比于现有脉冲式大气激光雷达，极大地提高了系统稳定性，减小了近距离探测盲区（<100米），大幅降低了系统成本及后期维护需求。
近年来，在国家重点研发计划青年项目、国家自然科学基金等项目资助下，项目组突破了沙氏大气激光雷达设计与实现、极弱大气回波信号探测与处理、大气参数反演与溯源分析等方面的关键技术问题，实现了多个波段、不同类型的全天时沙氏大气激光雷达探测技术，形成了大气探测沙氏激光雷达理论、设计与实现、探测与反演的方法体系，为大气颗粒物时空分布遥感探测提供了一种新途径。同时，提出了无需在线定标的多通道偏振成像大气激光雷达技术，解决了增益比周期性在线定标、手动校准偏振失配角等技术难题，实现了偏振失配角的在线精确测量。项目组发表高水平论文30余篇，授权发明专利2项（转化1项），实用新型6项，软件著作权3项。项目组研发了具有自主知识产权的扫描式沙氏大气激光雷达系统，该系统价格显著低于脉冲式大气激光雷达系统，并且性能稳定。该设备为国内外唯一商业化基于成像原理的大气颗粒物昼夜连续探测激光雷达系统。
图 2 SLidar系统扫描测量应用示意图。项目组研制的扫描式沙氏大气激光雷达系统在河北、陕西、天津等地安装应用照片，该系统可实现无人值守24小时昼夜连续监测。
图 3扫描式沙氏大气激光雷达系统在青岛、烟台、西安等部分城市应用效果示意图，可实现道路排放、工业园区排放、工地扬尘排放、垃圾焚烧等大气污染源的精准探测。
近年来，扫描式沙氏大气激光雷达系统在西安、武汉、天津、青岛、开封等20余个省市环保部门应用。通过将扫描式沙氏大气激光雷达系统安装于城市制高点，并对城市大气环境进行全区域扫描探测，可实现大气污染物分布遥感探测，实现热点实时报警及区域内污染源排放活动实时在线监管（如图2所示）。通过空气质量遥感监测分析管理平台统计分析（如图3所示），可辅助环境管理部门定位热点，对考核站周边“小散乱污”污染源进行评估，明确污染来源责任主体，完善污染源台账，可有效预防小散乱污企业偷排偷放、数据造假等行为，可有效解决当地大气污染监测方面的痛点和难点，产生了显著的社会效益，并受到当地环保部门的高度评价。鉴于良好的应用效果，项目组自主研发的扫描式沙氏大气激光雷达技术最终实现专利成果转化以及产业化推广应用，已产生直接经济效益近千万元。
项目合作联系方式：010-63728336，xuhan@csoe.org.cn
中国光学工程学会评奖办
