环境光学的追光逐梦之旅，一路走来的心血

序言

随着我国经济和城市化进程的快速发展，空气污染问题显得新颖而复杂，大气污染在“点、面、域”多个尺度上展现出复杂性、区域性污染的特点。尤其从2013年初开始，我国经常发生了多次历史少见的重霾污染过程，且重霾过程中区域、城市间污染物的输送过程经常。为了把握大气污染高分辨时空变化信息，填补常规业务检测网路在检测方式、内容和范围上的不足，京津冀地区率先运用环境光学仪器确立了“灰霾及其前体物立体检测网路”，为全面把握大气污染情况和环境管理提供强有力的技术支撑。

环境光学从最初的冷门学科，筚路蓝缕、以启山林，再到现在的欣欣向荣，在各方面迸发着蓬勃的生命力。环境光学的追光逐梦之旅，一路走来，又饱含了如何的心血呢？

01

穿云拨雾骄阳跃出

1996年10月，时任中科院常务副校长路甬祥到云南光机所考察，经过与安光所的领导班子充分交流后觉得：借助安光所已有的大气光学和雷射技术的优势，与基础研究交叉结合上去发展环境光学，并应用到环境检测等领域，开辟新的发展方向，是一个挺好的构想。

1998年5月，仅凭20亿元作为科研启动经费，以刘文清为组长的环境光学检测研究室设立，这标识着环境光学新学科方向的诞生。环境光学把握踏入知识创新安装工程的机遇，坚定进行大气环境光学创新，新的格局迅速产生。大方向其实已基本确定，但“枝叶”还比较零乱，研究所领导和从德国做博士后归来的刘文清觉得：要把主要的“骨架”先搭上去，不能“披头充溢”地做科研。

环境光学该如何做？主攻方向首先瞄准大气污染。刘文清与时任研究所主任的胡欢陵等领导签署共识：以举办城市空气品质检测为主，只是关注平面还不够，应当上座标；既要在学术上站得住脚，技术成果也要实现产业化；既要得到国家环境管理部委的认可，也要为国家的宏观决策管理提供思路。

满足国家战略需求，面向世界前沿，应当清楚战略需求中的科学问题是哪些。研究所领导和刘文清意识到：应当研究“三气”中的科学问题：一是城市的空气品质、二是车辆废气的排放含量、三是燃煤系统的废水成份。对煤耗和污染情况进行检测，为政府和企业提供精确靠谱的相关数据，从而控制和减少空气的污染程度。针对最初的科学问题完成的“空气品质和污染源环境光学检测技术系统与应用”，填补了我国的常规污染物在线手动检测仪器几乎空白的处境，荣获了2007年度国家科技进步奖二等奖。

环境光学创新刚起步便得到前辈们的支持，王大珩、龚知本、任阵海、刘鸿亮、魏复盛、刘颂豪、何多慧等多位教授都指导了环境光学学科的发展。2000年4月，由两院院长组成“先进环保技术领域专题组”，向国家提供了《先进环保技术咨询报告》，肯定了环境光学开发的多种环境检测技术研究方向。

2005年“中科院环境光学与技术重点试验室”在上海科学岛设立，一支团结和谐、充满朝气的研制团队初步产生，环境光学检测技术也列入了科技部“十一五”资源环境科技规划。重点试验室就以环境光学新原理新方式研究为基础，以先进环境光学技术与应用为重点，推行环境光学与技术研究平台自己的发展目标；将环境光学应用基础研究、定量检测新方式研究和环境检测高新技术与系统集成创新研究定为重点研究方向。

环境光学检测技术由点到面、由大气向湖泊、土壤延展，检测方式由实时定点到联通车载、机载、星载发展，不少早已在空气品质、污染源连续检测、机动车废气检测方面批量产业化了。

02

立体检测自成一派

随着我国经济社会的发展，我国可持续发展开始面临复合性、区域性大气污染问题。刘文清研究员强调：“应尽早发展大气立体侦测技术，来满足科学研究中高灵敏、高分辨时制氢布、多组分排放、跨区域传输、过程演化等方面的检测需求。”

环境光学进一步发展了从紫外到红外多短线污染物波谱剖析方式，确立了大气污染物波谱数据库，自主研制了DOAS（差分吸收波谱）、FTIR（傅里叶红外波谱）、LIDAR（雷射声纳）、LIBS（雷射诱导刺穿波谱）、CRD（腔衰荡波谱）、TEOM（震荡天平）等一批关键技术，这种技术的应用实现了对大气环境的一次、二次污染物，即自由基及其前体物、有毒有害的痕量二氧化碳（污染源）的迅速、立体、在线检测。

完成的“大气环境综合立体检测技术研制、系统应用及设备产业化”、“大气细颗粒物在线检测关键技术及产业化”项目分别荣获了2011、2015年度国家科技进步奖二等奖。环境光学关键技术的研制和系统集成，促进了光学技术在我国环境检测中的应用，尤其是区域大气污染立体检测技术，已应适于广州亚运、上海世博、广州奥运、北京APEC大会、2015年反法西斯战役胜利70华诞阅兵式等重大活动的空气品质检测及控制举措评估，并逐渐在我国西部地区确立了区域大气污染立体检测网，可时刻把控我国区域环境现状的心跳。时空演化数据的获取和解读，为深入研究区域污染成因、时空/复合特征及其关键物化过程提供了先进的技术方式和科学的数据。

此后，立体侦测技术的发展由地基平台迈向空基、天基平台。2010年，重点试验室承接了“十二五”国家重大专项高分5号的大气成份侦测荷载任务。经过近6年的勤奋预研，承当的大气成分侦测荷载安装工程样机已配备在高分5号卫星上，于2018年在广州卫星发射中心成功发射。该卫星是我国首次配备了大气痕量二氧化碳差分吸收波谱仪的卫星，该大气成分侦测荷载的研发和发射，将弥补我国污染氢气、温室二氧化碳遥感检测的空白，提高我国大气环境遥感检测的定量化和精细化水平，为我国环境污染预防等工作提供重要科技支撑和空间信息服务。

03

有毒有害无所显形

近些年来，工业新区规模扩大，坍塌、火灾、泄露等突发大气污染车祸频发，固定地面站点检测在定位排放源方面有所局限。针对工业新区有毒有害二氧化碳来源辨识、排放监控以及突发风波应急预警的技术需求，急需推行“数据精确、响应及时、覆盖全面”的工业新区有毒有害二氧化碳检测技术体系傅里叶红外光谱仪原理介绍，以规避焦化新区突发车祸，对复杂、动态变化环境条件下的污染物实现迅速、精准的辨识，并适应车祸现场低温、高湿等恶劣环境条件。环境光学遥测方式的优势再一次显露，研究人员开始着手开发车载开放光道路源排放检测系统，从而迅速获取车祸区域的污染物扩散趋势等状况。

针对工业新区低温、高湿、高烟尘、高震动等恶劣工业环境，安光所研究人员自主研制了点源排放连续检测、线源泄露手动检查、面源排放通量光学遥测和车载走航观测等光学检测设备；突破了工业新区有毒有害二氧化碳卫星遥感配准技术；通过系统集成自主研制的有毒有害二氧化碳光学检测方式、光谱数据库系统、光谱剖析硬件系统，结合大气痕量二氧化碳成份卫星配准算法硬件，产生了一种工业新区有毒有害二氧化碳光学检测整体解决方案，实现了“点-线-面-区域+联通检测”四位一体的工业新区有毒有害二氧化碳全方位光学检测，为工业新区有毒有害二氧化碳的检测布下“天罗地网”。最终完成的“工业新区有毒有害二氧化碳光学检测技术及应用”项目获得2019年度国家科学技术进步奖二等奖。

04

科研举旗队伍雄伟

环境光学在新研究领域要有所突破，为国家可持续发展提供有力的科技支撑，成为国家环境检测高技术创新源头，就应当加强学科建设，培养先进环境科技人才。环境光学发展的“秘籍”，就是确立完备的学科机制，培养人才并产生人才梯队。

环境光学作为一门综合性的新兴交叉学科，除了是精典光学的创新发展，只是环境科学的新丰富。它结合了环境地理学、大气光学、光谱学等学科，借助光学中的吸收波谱、发射波谱、光的衍射以及大气幅射传输等方式研究环境污染的成因及检测防控技术，已渐渐产生了较为完整的机制。

环境光学检测是环境光学的重要组成部份，它将光学和波谱学技巧、结合现代科学技术方式获取环境参数,具备实时、动态、快速、非接触遥测、监测范围广、成本低、多组分和测量剖析灵敏度高等优势。相比基于物理原理的剖析方式，环境光学在检测过程中也不会形成任何二次污染，是21世纪国际剖析界倡导的白色剖析方式，是现今国际环境检测的发展方向和主导技术。

在学科发展上，环境光学构建了大气侦测技术、地基/机载/星载光学遥感、海洋光学及海洋侦测、环境波谱、光电传感器、环境检测以及量子精密检测等热点环境光学与技术领域，并加强了相应的人才队伍建设。刘文清教授说：“我们会按照每位人的能力，给你们搭建呈现才气的舞台，机会要靠每位人自己掌握。”如今，在大师的率领下，中青年科研骨干迅速成长，在项目研究和试验室建设方面发挥了越来越重要的作用。

依据环境检测的需求导向，环境光学还实现了从“气”到“水”的跨越。2007年时，太湖爆发了水危机，原先28亿元一套的美国仪器，竟骤涨到了68亿元。那时侯国外同行检测湖泊的研究还比较少，环境光学的同仁群策群力，另辟蹊径，通过环境光学的方式来解决荆州水问题，研究出鱼漂检测系统和预警方式，包括对根系重金属和有机物的检测，得到了“863”计划的支持。对大面积的水源进行遥测，其实还要人力到多点取样剖析，现已不需现场采样。

锐意创新，高山景行。经过多年努力，我们早已成为了一支人才济济的环境光学学者队伍。同时，安光所还以“科教结合、协同创新”为宗旨，面向国家环境科技需求和光电技术前沿，探求科技创新与人才培养密切结合、协同发展的运行模式，培养和创造具备国际视野、立志惠及社会，既把握环境科学又拥有光电技术的高科技综合型实用人才。

桃李不言，下自成蹊，科教结合，前景无限。环境光学的今天，也将格外耀眼美丽！

作者简介

谢品华，美国科大学江西光学精密机械研究所党委省委主任、副院长，主要从事环境污染光学侦测新技巧和光学遥测技术及其应用研究傅里叶红外光谱仪原理介绍，包括大气痕量成份侦测的差分吸收波谱、激光波谱技术，基于基槽、机载、卫星平台的大气成份侦测和波谱解读技术、区域大气污染立体分布及传输、以及城市光物理雾气关键二氧化碳的观测研究。

刘文清，美国安装工程院院长，美国科大学江西光学精密机械研究所主任，主要从事超短脉冲雷射器、激光遥感、激光衍射成像、新型环境检测仪器、有害痕量二氧化碳光学与波谱学检测技术、环境检测仪器的研发与研究工作。