让光冲破大气环境监测的迷雾

宋洁

冰川逐渐融化，海平面上升，北极熊、企鹅不断失去家园，干旱、台风、雾霾等恶劣天气越来越多，暖冬之后蝗灾泛滥……造成这一切灾难的原因就是全球气候的变暖。1981—1990年全球平均气温比100年前上升了0.48℃。到20世纪末，全球平均气温预计上升1.9℃到4.6℃。近一个世纪以来，人类大量使用矿物燃料（如煤、石油等），排放出大量的二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）等多种温室气体，使得全球气温不断升高。在改变生活方式，减少热量排放的同时，如何利用科技手段来对温室气体排放及其分布、变化进行监测，以指导相关研究和政策制定，已成为当今全球的科研热点。在众多进行温室气体探测的科学家中，中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所（以下简称“中科院安徽光机所”）副所长、博士生导师熊伟正是其中之一……

不畏艰难，勇攀光学领域科研高峰

1994年，19岁的熊伟考入了武汉理工大学。由于从小就喜欢物理、数学，热衷于电子学、信号处理及算法运用，熊伟毅然地选择了应用电子技术专业。本科毕业后，成绩优异、能力出众的熊伟被母校留了下来。“留校工作的3年里，我真切地体会到，要想从事科研工作，只依靠本科所学的知识是远远不够的。为了提升自己的专业技能，我想进一步深造。”熊伟说。于是在2004年和2007年，他在中科院安徽光机所分别获得了光学专业理学硕士和博士学位。毕业后，熊伟就留在了光机所工作，主要从事超光谱遥感仪器机理及其新型领域应用研究。

光谱是指复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。地球上不同的元素及其化合物都有自己独特的光谱特征，光谱也因此被视为辨别物质的“指纹”，是用以识别和分析不同物质特征的一张“身份证”。关于光谱的研究，已有几百年的历史。1666年，牛顿通过玻璃棱镜把太阳光分解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱。他发现，白光实际是由各种颜色的光组成的。这算是人類最早对光谱的认识。其后，一直到1802年，渥拉斯顿观察到了光谱线。在1814年，夫琅和费也独立地发现它。随后，夫琅和费公布了太阳光谱中的许多条暗线。由此，光谱逐渐发展为一门学科。

在这里，还需要科普一个概念——光谱分辨率，它是指仪器区分电磁光谱各波长间隔的能力。光谱的分辨率越高，对物质光谱特征的识别能力就越强。在紫外可见波段，一般分辨率几十纳米量级的为多光谱，几纳米的是高光谱，分辨率为零点几个纳米的，则是超光谱。

熊伟正是利用高光谱和超光谱来进行大气成分遥感探测的。他解释道：“常见遥感卫星的主要功能是对地拍摄图像，获得地表信息，用于测绘、地物类型识别等，我们称之为‘看图说话。这种方式能看出一些污染的结果，比如已成型的水体污染；但是对于大气污染监测而言，必须要区分污染物质类型、定量化污染成分的浓度，所以光靠‘看图说话是不行的，常规的对地成像技术也很难实现。需要利用‘特殊的光学技术手段，诸如高光谱、超光谱这些，才可以精确地探测大气层中的污染气体成分、温室气体含量等。”

从事研究工作以来，熊伟先后主持了中科院国防创新基金、国家自然科学基金、原“863”计划、中科院知识创新工程重要方向项目、高分专项、空间基础设施专项等项目。他完成了相应型号的光学遥感仪器、控制设备的研制以及相关数字信号和图像处理技术等方面的研究，应用于远程拉曼光谱探测、中高层大气OH自由基层析探测和震前逸出气探测等前沿科学研究领域，主持完成了国际首台基于静态干涉体制的温室气体探测载荷并成功在轨运行。此外，熊伟已发表了论文50余篇，获专利10余项，获得中国兵器工业集团科技进步奖一等奖和工信部国防科学技术进步奖二等奖各1项。

成功不是偶然，每份荣誉的背后往往需要异于常人的努力与付出。正如马克思所说，“在科学上没有平坦的大道，只有不畏艰险沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点”。熊伟清楚地记得，在一次将实验成果转换为具体的卫星工程型号研制的过程中，他就遇到了难题。“在实验室里，如果数据结果不稳定，我们可以多次重复测算，直到结果符合要求为止。但在实际的研制阶段，是不允许‘一次次重复的。在参与某项卫星工程时，我们发现，有一个通道的数据信号特别小，但在实验阶段，各方面的数据都是准确无误的。”众所周知，进行卫星研制时，必须严格按照规定时间节点来完成相应的工作，其中任何一项工作出现问题，都会影响整个卫星研制计划。为了不耽误整体进度，熊伟和团队成员顶着压力加班加点，仔细梳理整个研制流程，从现象出发到机理分析，通过理论指导实践，实践验证问题猜想，及时准确地找到了症结所在。也正是这种不屈不挠、迎难而上的精神品质，促使熊伟在光学遥感领域取得一个又一个的成果……

突破创新，实现大气环境精准监测

要保护人类的家园，改善地球的环境，首先必须清楚生态环境的变化，这就要求对生态环境进行定量监测。如果只是自己的“一亩三分地”，凭借一双肉眼或者一些地面设备就可以实现监测。但如果是数百万平方公里的土地和浩瀚的天空，仅靠地面上的“眼睛”是远远不够的。这时候，就必须依靠卫星遥感这个“天眼”收集数据。现如今，卫星遥感已成为实现全球环境监测最有效的方法和技术。

2018年5月9日，以生态环境部为牵头用户，自然资源部和中国气象局等为主要用户的环境专用卫星——“高分五号”卫星成功发射升空。遥感卫星根据功能的不同，大概可分为3类：一种专职“看”地球，如陆地观测卫星、国土资源卫星、海洋卫星等；一种专职“看”大气，如气象卫星、碳卫星等；还有一种专职“看”外太空，如各类天文望远镜和深空探测器等。“高分五号”的厉害之处在哪呢？那就是，它将大气监测和陆地监测功能融为一体，这在世界范围内尚属首次。此外，它还填补了国产卫星无法有效探测区域大气污染气体的空白，可以满足环境综合监测等方面的迫切需求，是我国实现高光谱分辨率对地观测能力的重要标志。

“‘高分五号共搭载了6台有效载荷，其中用于大气环境探测的3台主要载荷分别是大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气主要温室气体监测仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪，由我们安徽光机所研制。”熊伟介绍到，“其中，大气主要温室气体监测仪主要由我负责。”

大气主要温室气体监测仪是国际上首台采用空间外差干涉体制进行温室气体探测的有效载荷，它采用了全新技术路线，信噪比和信号灵敏度都很高，能定量监测大气中的二氧化碳、甲烷等温室气体，以此获取这些温室气体的高精度吸收光谱信息，反演大尺度范围大气主要温室气体浓度数据，通过对区域大气环境监测以及全球温室气体起源与经风向传播的“旅行图”进行分析等，为气候变化研究及环境外交提供基础数据。

“我们研制大气环境监测卫星载荷，还有一个目的，就是要增强我国在环境监测领域的话语权，帮助国家环保部门、气象部门拿到第一手的大气环境数据。”熊伟表示，美国、日本以及欧洲在这方面研发较早，有大气环境监测卫星，但他们提供的数据都是经过处理的，不是第一手的。“高分五号”的发射，对于提高我国卫星高光谱数据的自给率、减少我国对国外高光谱卫星数据的依赖发挥了重要作用。

在进行温室气体的监测时，由于CO2在温室气体排放量中占了80%，被认为是导致全球气候变暖的最主要因素之一，因此大气CO2的探测精度往往决定着气候研究的准确性。熊伟介绍道：“CO2是大气中常驻微量气体，由于大气的混合作用，使其在浓度和浓度梯度方面相对于浓度背景均较小。研究表明，全球观测区域尺度上大气柱平均CO2干空气混合比（XCO2）精度只有达到1%或更高，才能较好地降低其在气候研究中的不确定性。进一步提高大气CO2的探测精度，成为温室气体监测的难点。另外，由于云的存在，易造成温室气体探测数据的异常（如信号饱和），而且会影响大气辐射的传输或造成精度较低，无法满足反演算法要求。因此，如何破除云层干扰，也是我们要考虑的问题。”

为此，熊伟带领团队开展了“多模态大气主要温室气体监测仪”的项目研究。他将国际上最常用的光栅光谱技术与傅里叶变换光谱技术这两者结合起来，开发出一种新型超光谱分光技术——成像空间外差光谱技术（Imaging Spatial Heterodyne Spectroscopy-ISHS）。在二维空间方向上获取图像和干涉光程差，在时间维完成光程差的累积，该技术同时具有了干涉仪（FTS）的高通量和光栅光谱仪高空间分辨的优点，且在一确定的中心波长范围内（如CO2的1575nm中心吸收带），可以获得空前高的光谱分辨率。

基于成像空间外差光谱仪技术，项目组采用多模态大气温室气体探测方案，突出了静态干涉成像、二维扫描、近红外联合热红外波段为基础的新型多模态高光谱温室气体遥感技术应用，实现了高空间分辨率、大幅宽、不同高度层探测。通过此项研究，温室气体探测数据的空间分辨率及最终的反演精度获得了显著提高，我国温室气体探测技术水平由此会上升到一个新的高度。

除此之外，熊伟还将目光锁定在OH自由基上。OH自由基是大气中一种最重要的氧化剂，在流层大气中几乎所有的可被氧化的痕量气体主要是通过与OH自由基反应而被转化和去除的。OH自由基浓度水平通常作为大气氧化能力的指标，也是局地大气对痕量污染气体自清洁能力的一个量度，因此OH自由基又有大气“清洁剂”之称。

目前，地球上中高层大气OH自由基在大气物理化学过程、全球气候变化、大气臭氧水平以及酸沉降等重大环境问题中的作用机制还不甚明了，亟待加强研究。作为一种“氧化剂”，OH自由基对于人类理解大气中间层化学成分，尤其是对臭氧层的破坏、中间层顶水汽浓度反演意义重大。将一维分视场成像技术和空间外差干涉光谱技术相结合，利用二维正交观测模式，有望实现中高层大气OH自由基数密度的三维层析探测。

“超光谱大气层析技术不仅是微弱信号OH自由基探测能力的问题，同时涉及大气空间三维数据获取的方式方法，以及与信息反演相关联的工作模式等问题，均需要经过深入研究和实验验证。因此，开展中高层大气OH自由基层析探测项目研究，系统解决所涉及的探测理论、技术和应用问题是十分必要的。”

于是，熊伟带领团队对正交层析超分辨空间外差光谱仪方案进行设计，并结合高灵敏度紫外弱光CCD探测技术和紫外波段定标技术方法、OH自由基反演方法等方面的研究工作，首次完成了优于0.008纳米光谱分辨率光谱仪的研制。在此基础上，项目组成员完成了地基太阳直射和散射光谱探测试验以及航空校飞试验，实现了光谱仪对不同区域、不同观测几何大气散射信号的甚高光谱探测能力，并且为星载中高层大气OH自由基层析探测系统的实现提供了有效可行的技术方案，这对于提升我国大气环境立体探测技术水平，把握全球气候变化、提高气象气候观测水平、掌握大气环境信息等方面无疑具有重要意义。

熊伟表示，现阶段研制的监测仪主要用于全球气候变化研究，其空间分辨率为10公里。下一步，他们将研制用于环保执法的监测仪，空间分辨率会优于1公里，对小范围的超标排放都能实时监测到。“未来，我们一定能获取全球大气污染物的精确分布信息，精准定位污染源，让大气环境治理更加有的放矢。”熊偉说。