颗粒物光量子雷达的研制及其在环保监测中的应用

申屠国樑 王冲 尚祥 张雁冰

(1.山东国耀量子雷达科技有限公司，济南 250101；2.武汉量子技术研究院，武汉 430000；3.中国科学技术大学，合肥 230041；4.宁波财经学院，宁波 315700)

0 引言

量子信息行业的蓬勃发展催生了基于量子效应的核心技术的不断突破，如高纯度纠缠源[1]、原子干涉仪[2]、单光子频率转换[3]、单光子灵敏度探测技术[4-5]等，这类技术的突破在时间、频率、重力、磁场等量子精密测量领域中可实现超越经典极限的测量[6-7]。

作为量子精密测量领域的一个分支，量子雷达利用量子纠缠、单光子源操作、单光子灵敏探测等技术，通过在发射端对纠缠光源的制备分发、单光子源偏振、强度、频率等调制及接收端极限灵敏的单光子检测等手段，实现对远距离、区域范围内的大气软硬目标的位置信息、风场频率、痕量气体、消光系数等的高精度测量，在高价值飞机监测、大气环境监测、战场环境保障、气象环保等国防民生领域有着重大的潜在应用。目前，基于近红外到中红外波段的单光子灵敏探测技术实现大气环境软目标监测的光量子雷达是最为接近实用的分支。

在学术研究中，国外诸多学者对大气软目标检测均做了大量的研究工作[8-15]，而国内的研究工作主要集中在中国科学技术大学、安徽光机所、中国海洋大学、上海光机所、武汉大学等。如安徽光机所的车载激光雷达系统积累了大量的观测数据[16-17]；Tao等于2016年使用侧向散射CCD激光雷达观测到了边界层内的PM2.5垂直廓线[18]；中国科学技术大学于2015年4月首次提出的光量子雷达技术，实现了气溶胶的昼夜连续探测[19]；夏海云等于2016年8月首次利用红外单光子频率转换技术实现了全光纤测风激光雷达[20]；中国科学技术大学上官明佳等于2017年首次利用超导单光子技术实现了双频测风激光雷达，可探测最高空间分辨率风场、机场风切变[21]，而裘家伟等则继续利用红外单光子探测技术实现了偏振信息区分，可对大气污染物种类进行区分[22]。

在产业化过程中，传统的大气激光雷达已经在气象、环保等行业进行应用，主要用于测量大气中的颗粒物浓度、大气边界层、能见度、云层分布、风场等信息。传统大气激光雷达普遍采用532 nm的绿光作为系统光源，受限于系统信噪比的问题，其在实际的应用过程中存在诸多问题尚未解决，如需要大功率的高性能激光器导致的系统体积庞大、白天受太阳背景噪声影响、532 nm的绿光带来的人眼不安全及肉眼可见隐蔽性差等问题，大幅限制了其在国防军事、密集人员城区等应用场景的落地。在环保领域的实际应用中，常规5 km探测距离的传统大气激光雷达由于单径向的信噪比较低，需要长时间的累积信号，这就导致了其实现360°全周期扫描的时间近1 h，存在严重的滞后性，漏报误报等问题严重，同时叠加风速的扩散影响，系统需依靠人工进行污染源位置判定，无法实现自动精准的实时溯源，这也造成了部分客户对传统大气激光雷达“高科技花瓶”的印象。

基于近红外单光子探测技术的颗粒物光量子雷达利用近红外人眼安全的1 550 nm信号波段光源，受益于高大气透过率和高灵敏度检测，可实时反演区域范围内的消光系数、能见度、污染源排放信息[19]，即使在微脉冲信号光强度下依旧可实现单径向的高信噪比探测，累积时间大幅降低，可快速实现360°全区域扫描，且光束为不可见的红外光束，隐蔽性强。

本文介绍基于近红外自由运行铟镓砷单光子探测器实现的1 550 nm颗粒物光量子雷达设备及其在环保领域中的组网监测应用系统，这一新型的网络监测系统相比于传统激光雷达具备快速扫描定位、自动识别污染源、自动生成报告、实时精准溯源、人眼安全不可见、区分区域传输和本地产生污染源等优势，为下一代环保领域颗粒物排放监测溯源提供了新思路。

1 颗粒物光量子雷达环保监测应用需求分析

1.1 大气颗粒物环保监测需求

我国在过去的几十年中经济持续高速增长，同时也伴随着煤炭等重污染能源的大量使用以及不法企业、工地等废气的偷排、漏排，这就导致中国的大气环境污染问题日益严重，大面积、长时间地出现能见度低下、PM2.5严重超标、空气异味等现象，已经严重威胁到国民健康和经济的可持续性发展。国家高度重视大气环境的治理工作，党的十九大报告提出“坚持全民共治、源头防治，持续实施大气污染防治行动，打赢蓝天保卫战”。各级政府先后制定了多项法律法规，如2016年施行的《中华人民共和国大气污染防治法》、2018年颁布的《中华人民共和国环境保护税法》等均为解决大气颗粒物排放溯源提供了政策支撑。

1.2 环保应用中的需求分析

颗粒物光量子雷达在大气环保领域的实际应用中需要满足落地应用需求，主要体现在设备探测距离、数据刷新率、污染源识别算法、偷排漏排捕获、区分本地传输与外来飘入传输、人眼的安全性要求、设备稳定性满足室外工作等。在探测距离上，常规天气探测距离要求不短于5 km的监测半径，理想条件下最优能突破10 km；单径向在5 km的探测距离下，数据刷新率快，因此需着重解决设备径向测量高信噪比问题；需开发对原始数据进行污染源解析的识别算法，着重解决污染源的自动识别能力、污染源的定位准确度问题；需对短期的偷排漏排、外来飘入的污染源等能进行有效的监测和区分，着重解决360°全周期扫描的数据更新速率问题；同时需保证设备在密集区域使用时对公众无人眼辐射，不会造成意外事故。

2 颗粒物光量子雷达设备的研制

2.1 设备原理

颗粒物光量子雷达的原理图及如图1所示，光纤激光器的种子光调制1 550.12 nm的窄线宽光信号，单脉冲能量大约9 uJ，然后经过光纤放大器进行两级放大，输出单脉冲能量为70 uJ的窄脉冲，信号的重复频率为10 kHz，脉宽为200 ns。所调制的信号光保偏输入至收发望远镜系统，经过望远镜准直放大后进入大气，大气的后向散射微弱光信号由接收模块望远镜进行接收并将其传入近红外的单光子探测器，探测器量子效应约为15%，噪声本底约为3 000 cps。经探测器对微弱信号检测后转换为电信号输出与数据处理模块进行同步信号处理。整套系统的时间同步及信号触发由同步触发卡统一提供。图2为1 550 nm颗粒物光量子雷达设备图及典型的回波信号原始数据，横轴为距离信息，单位为km，纵轴为回波光子数(强度)信息。

图1 颗粒物光量子雷达原理图

图2 设备(左)及典型的回波信号原始数据(右)

2.2 设备参数及性能优势

相比于传统激光雷达在环保中的应用，颗粒物光量子雷达性能更为优越，并且可解决传统大气激光雷达在环保领域应用中存在的无法精准实时溯源的切实问题，表1罗列了两种机制下设备性能及应用功能的对比情况。

表1 颗粒物光量子雷达与传统大气激光雷达主要指标及功能对比

3 颗粒物光量子雷达环保监测示范应用网络

面向环保领域大气颗粒物排放污染源溯源监测的需求，山东国耀量子雷达科技有限公司在济南组建了由6台颗粒光量子雷达协同监测的示范应用网络，同时搭建了多台联动的数据中心平台。

3.1 监测网络介绍

山东国耀量子雷达科技有限公司在山东省济南市部署了世界上首个颗粒物光量子雷达监测网，总计包含6个节点，分别是高新区大山坡站点、高新区海信大厦站点、章丘站点、莱芜站点、济阳站点、历城站点。该网络每个站点部署一台颗粒光量子雷达设备，常规探测距离6 km，覆盖面积近600 km2，实时为济南市环保局提供颗粒物排放污染源数据支撑。图3和表2分别罗列了该网络部署点位和常规性能指标情况。

表2 首个颗粒物光量子雷达网络站点分布基本情况

图3 首个颗粒物光量子雷达网络站点分布

3.2 软件平台介绍

颗粒物光量子雷达监测网络的软件系统由服务端、客户端软件和数据中心组成。客户端主要用于雷达数据展示、雷达参数控制以及雷达告警信息上报等功能，服务端则是用于给客户端软件提供功能支撑，具备数据存储、设备重启、升级等功能，每个客户端可查看多台雷达运行情况，支持多个客户端同时访问一个服务端，多台雷达同时部署到一个服务器上。数据中心系统则基于回传的数据进行统计性的分析、案例查询、数据下载、分区污染情况统计等功能。

4 案例分析

2021年，山东国耀量子雷达科技有限公司在山东省淄博市部署了一台颗粒物光量子雷达为本地的突发颗粒物污染源、外来飘入传输污染源监测提供数据支撑(见图4)。2021年10月7日11:25—12：25期间，雷达捕获扫描区域外西北方向输入污染团一次(见图5)。受益于8 min的远距离高效扫描，每隔8 min即可实现360°一帧数据的输出，第一帧数据的输出时间为11:25，第二帧的时间为11:33，依次类推。从图5中的8帧数据图可清晰地发现自西北角输入的污染图逐步自西北向东南方向漂移，锋面漂移清晰可见，结合地面点式设备的数据监测，可清晰归属本次污染事件责任为西北方向扫描区域外飘入污染源引起，责任行政单位明确。

图4 颗粒物光量子雷达监测网框架及数据中心实时数据

图5 2021年10月7日淄博市外来飘入污染源案例解析

5 结束语

本文分析了传统激光雷达在大气颗粒物污染源排放监测中存在的问题，并以此为需求导向介绍了颗粒物光量子雷达的原理、性能、优势；基于研制的颗粒物光量子雷达设备组建了世界上首个大气环境颗粒物光量子雷达监测网示范应用平台，阐述了该平台的主要功能和案例情况，为光量子雷达的落地应用开启了先河。