红外成像探测仪

越来越多的雾霾天，真让南京的天空越来越暗，城市视野也越来越模糊。　　雾霾对出行及公众的身体健康都是极大的损害，雾霾来临时，我们如何监测?雾霾来临前，能不能提前预警?　　南京信息工程大学大气物理学院的本科生王成芳近期研发出了雾霾天气的智能探测仪，它不仅能准确&ldquo 读&rdquo 出雾霾天南京人的&ldquo 视力&rdquo 情况，而且还能够分辨出一场雾霾天来临时，能见度的极速下降，究竟有多少是雾粒子在起作用，有多少是霾粒子在起作用。这为大范围实时监测雾霾天气提供了可行性。　　雾霾监测预报有难度　　在气象预报领域，雾霾提前预报一直是个难点，气象专家介绍说，雾霾在气象学上区别很大，虽然它们都会造成低能见度的状态，但是实际上除了湿度条件以外，雾霾的构成是非常复杂的，比如，由于气溶胶污染物浓度较高会造成霾，而它的成分是非常复杂的，在我们头顶的天空中，气溶胶的主要化学成分包括有机物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐、黑炭、重金属，还有一些其他元素。同时，数值预报需要考虑的条件和因素也很多，包括能见度等的监测、预报难度比较大。　　南京信息工程大学的专家告诉记者，其实能见度监测仪的研究也是近些年才开始应用的，以前在中国雾霾的能见度监测，其实靠的都不是仪器，靠的都是气象预报员的双眼和经验，他们一般来说都把气象台远处的一些标志性的建筑或山体作为标的物，靠雾霾天气中能看到远处的什么景象来大致&ldquo 估摸&rdquo 出能见度的情况，因此还是存在一些人工误差的，而且也没有办法大范围、全覆盖地探测一个区域的能见度。　　两只红外眼睛测出能见度　　经过几年的研制，王成芳自主研发能见度探测仪成功。记者看到，能见度探仪器有一只相对而视的&ldquo 眼睛&rdquo ，王成芳告诉记者，这两只眼睛都安装有&ldquo 红外线&rdquo 装置，它们共同捕捉两个红外线&ldquo 眼睛&rdquo 之间的团空气，然后利用红外装置&ldquo 透视&rdquo 其中的污染物粒子的粒径大小，成分，而对于空气中的污染物粒子的消光系数进行精确测量，从而能够精确推算出我们肉眼能够看到的精确的能见度。　　王成芳说，这个能见度探测仪的一个好处是，不仅能够取代人眼直接探测灰暗的天空究竟能看多远，更重要的是，它能够分清南京模模糊糊的天空究竟是由什么样的颗粒物在起决定性作用。　　记者了解到，目前研发出来的能见度实时监控装备，在终端可以实时显示能见度信息与能见度-时间曲线，这将为气象专家提供清晰具体的预报信息。

星载成像光谱仪、机载成像光谱仪、无人机(飞艇)成像光谱仪、地面便携式地物波谱仪、地下岩心扫描仪构成了对地立体探测技术手段。相比通用分析仪器，这些名词似乎不是那么熟悉，但是它们却广泛应用于地质、环保、农业、林业和海洋领域，特别是在地质勘察领域发挥重要作用。　　近年来在国家、部门和地调专项支持下，中国地质调查局南京地质调查中心研发了除星载以外的所有仪器，大部分仪器实现了成果转化，为地质科研和找矿提供了有力支撑，产生良好的经济和社会效益。　　什么是高光谱仪器?我国在高光谱探测仪的研发过程中都取得了哪些成果?与国外的技术还有哪些差距?这里，仪器信息网特别邀请南京地质矿产研究所修连存研究员给大家一一解答。南京地质矿产研究所修连存研究员　　从南京地质矿产研究所研究员到南京中地仪器有限公司总经理，修连存研究员一直致力于仪器研制、实验测试方法的开发及地质勘查技术的研究，至今已主持各类调查与研究项目数十项。现主要承担由中国地质调查局《机载成像光谱仪》和国家重大仪器专项《岩心光谱扫描仪研发与产业化》的研究。　　在多年国产仪器开发和推广的过程中，修连存研究员不仅研制成功具有自主知识产权的X射线衍射仪，推动了国产化仪器的发展 而且在国内首次研制成功并推广便携式近红外矿物分析仪，其中部分产品已出口，为我国地质勘查技术提供了新的方法，提高了经济效益。　　“国产高光谱探测仪约占20%市场份额“　　仪器信息网：什么是高光谱技术?　　修连存：通常在可见光-短波近红外(400nm-2500nm)范围内，低于100波段称为多光谱，大于100波段称为高光谱，大于1000波段称为超光谱。随着技术发展，目前已经能够做到上千波段。波段越多，被测物质信息含量越多，但数据质量越下降，因此，根据需求来确定波段数非常必要，可以尽量提高信噪比。　　目前，我国高光谱仪与国外相比，主要差距还是数据质量，但经过多年来的努力，这种差距逐渐缩小，有的仪器数据质量已经超过国外同类产品。　　仪器信息网：目前普遍应用的高光谱对地探测技术都包括哪些?　　修连存：目前高光谱对地探测技术包括卫星载荷的多光谱和高光谱成像仪、机载高光谱成像仪、无人机微型成像高光谱仪、地面地物波谱仪和地下岩心光谱扫描仪等，以上这些仪器构成了高光谱遥感对地立体探测系统，广泛应用在地质、环境、海洋、农业、林业和城市生态等领域。　　仪器信息网：以上技术中，我国具有自主知识产权的技术占比情况如何?　　修连存：目前，我国高光谱仪器大部分依赖进口，特别是一些短波近红外和热红外成像设备对我国禁运。现阶段，国产高光谱探测仪器约占20%市场份额。当然，随着仪器的成熟和国家政策的改革，这一比例会逐年提高。　　近年来，中国地质调查局南京地质调查中心在科技部、国土资源部和中国地质调查局支持下成功地研制了机载成像光谱仪、微型成像光谱仪、地物波谱仪、岩心光谱扫描仪和相应的数据处理软件。除机载成像光谱仪样机外，其它仪器均进行了产品化，并成功进入了市场。　　多项成果落地开花 填补国内空白　　仪器信息网：能否分享一下国产高光谱探测仪的研发历程?都取得了哪些成果?　　修连存：上个世纪九十年代，第一台用于矿物分析的PIMA仪(便携式短波红外矿物分析仪)在澳大利亚诞生，它的诞生，打破了传统的地质矿物分析方法，实现了矿物分析定量化，从而带来了地质研究和地质找矿技术的革命。矿物分析仪在地质领域的主要应用包括矿物识别、蚀变矿物填图、钻孔和隧道(平硐)编录、成矿作用的指示、成矿潜力评价、采矿中的品位控制和辅助遥感图片的判别等。　　2004年，国土资源部中国地质调查局立项研制便携式近红外矿物分析仪，2006年完成样机研制，2008年实现产品化，产品销往国内外市场，目前已发展到第四代产品 　　2009年和2012年，在国土资源部公益基金和科技部重大仪器专项支持下，于2014年研制成功宽谱段地物波谱仪、岩心光谱扫描仪，2015年研制成功微型成像光谱仪，并实现产品化，进入市场销售 　　2009年，在国土资源部中国地质调查局支持下，于2014年研制成功机载成像光谱仪样机，并在新疆哈密进行了试飞，验证了仪器性能和指标，为后续产品化打下了基础。　　上述仪器研制成功，填补了国内空白，降低了采购成本，实现了技术推广，推动了高光谱探测技术的发展。　　仪器信息网：是什么原因或者契机促使您选择国产高光谱探测仪研发这样的课题?都取得了哪些科研成果?未来有哪些研发计划?　　修连存：我从长春地质学院仪器系毕业后被分配到地质行业工作，从事过实验测试，进口仪器计算机升级改造和国家十五公关项目“X射线衍射仪研制”工作，积累了一些经验与技术。　　2000年，中国地质调查局南京仪器研制中心成立。中心的主要目标是依托自身人才和技术优势，研制适应广泛的分析仪器，开展仪器的推广应用，培养人才。当时，根据地质需求，结合实际调研，我们发现高光谱对地观测技术在国外刚刚兴起，国内还是空白，市场前景广阔，经过十几年来的探索，终于为我国高光谱探测技术的发展和人才培养奠定了基础。同时还采取国内外技术联合方式建立了两个省级重点实验室以发展我国的高光谱事业。目前，我们已成功研制了机载成像高光谱仪、无人机小型成像高光谱仪、地物波谱仪、地下岩心扫描仪和矿物光谱分析专家系统，并进行了高光谱信息提取方法研究和技术应用示范。　　未来，中国地质调查局南京仪器研制中心将在完善现有成果的基础上，重点研究热红外波段(7um-14um)系列高光谱仪，同时开展相应的技术方法研究，拓展高光谱对地探测技术的范围。　　仪器信息网：是什么原因促使您成立南京中地仪器有限公司?目前主营业务有哪些?　　修连存：中国地质调查局南京仪器研制中心成立后，首次研制成功的是便携式近红外矿物分析仪。为了尽快实现成果产业化，2005年南京中地仪器有限公司成立。通过公司平台对成果进行工程化设计，实现了生产、销售和服务一条龙，搭建了产学研用平台，实现产品优化和换代。　　尽管由于体制机制的问题，也曾出现过一些波折，但是在国家大众创业，万众创新方针指导下，在国家成果转化法推出的背景下，公司机制还是坚持下来了。目前公司产品有无人机微型成像高光谱仪、便携式近红外矿物分析仪、地面地物波谱仪、地下岩心光谱扫描仪和矿物光谱分析专家系统软件，这些仪器只有南京中地仪器有限公司生产，国内还没有其它机构和厂家生产销售(其它所售产品几乎都是代理国外厂家生产的产品)，特别是便携式近红外矿物分析仪在国内外实现了独家生产，产品销往国内外。　　总体来说，我们依托公司平台，通过产学研结合，打破了体制障碍，较好地解决了成果转化问题，建立了这一行业高科技产业链，打造了光谱对地探测仪器系列产品。同时，经过多年来的技术推广，我们的产品和技术也得到了地质工作者的认可，为地质科研和找矿提供了有力支撑，产生了良好的经济和社会效益。 宽谱段地物波谱仪 便携近红外矿物分析仪 VNIR 微型成像光谱仪 SWIR 微型成像光谱仪 岩心光谱扫描仪 机载成像高光谱仪　　便携近红外矿物分析仪已达到或超过国外水平　　仪器信息网：相对于进口产品，目前国产高光谱探测仪的技术水平如何?　　修连存：近年来，随着技术进步和国家科研投入的增加，国产高光谱探测仪器技术指标与国外技术指标的差距越来越小，比如我们生产的便携式近红外矿物分析仪、微型成像光谱仪和岩心光谱扫描仪等的技术指标已经达到或超过国外水平。相对来说，其它仪器还有一定的差距，主要是数据质量还有待提高，这需要经历一个过程。　　仪器信息网：您在国内首次研制成功并推广便携式近红外矿物分析仪，请介绍一下技术优势以及目前的应用和销售情况?下一步的研发计划?　　修连存：目前便携式近红外矿物分析仪国际上只有南京中地仪器有限公司独家生产，产品除供应国内市场外，还销往澳大利亚、加拿大、缅甸、印尼和蒙古等国。　　该仪器采用T型分光技术，具有体积小、重量轻、便于携带等特点，仪器配有专业的数据处理软件，可实现野外和室内现场检测，实现岩石无损定性和定量分析，还可用于珠宝鉴定和药品原材料检测。此外，该仪器已经申请了国家专利。　　仪器信息网：国产高光谱探测仪要想得到进一步发展，有哪些问题亟待解决?　　修连存：高光谱探测仪是一种高科技产品，涉及到光学、机械、电子、软件、技术方法和应用等学科，以往注重硬件研究，忽视了技术方法和应用，造成了仪器研制成功之后不知怎样应用的尴尬局面。　　我的体会是：仪器硬件和应用方法各占50%比例，以满足需求为条件，以提高数据质量为主线，避免片面追求指标而无法应用的情况发生。　　一个国产仪器开发者的心声　　仪器信息网：当前，国产仪器与进口仪器的差距大家有目共睹，为此也引起了一次又一次的相关探讨，特别是在成果转化方面一直有诸多叹息。作为一位一直致力于国产仪器开发的科研工作者，您对国产仪器的现状有什么样的评价?在成果转化方面有哪些需要注意的事项?　　修连存：目前国产仪器发展迅速，但是仍在低端仪器徘徊，高端仪器依赖进口，用户喜欢购买进口仪器，这就需要国家政策强力引导。　　另外，科研成果与生产对接严重脱节，缺乏资本运作机制，最近国家出台了成果转换法，解决了科研成果转化体制机制问题，但还需要单位领导克服旧观念，真正落实到位，同时改变科技人员评价机制，从发表论文和获奖档次作为考核指标，转变为绩效考核，真正实现创新和成果转化。　　仪器信息网：在国产仪器研发和推广的道路中必然需要克服很多困难，您是如何做到的?想必您一定有很多切身体会，可否给大家分享一些，与大家共勉?　　修连存：首先认准市场，市场是决定仪器研发和推广成败的关键，没有市场的仪器是无法发展前途的；另外就是持之以恒，保持团队稳定，给团队一个良好的科研环境，合理的待遇；再就是利益共享，共同发展。合影撰稿编辑：叶建

说到生命探测仪，就不得不说地震，这个沉重的话题虽然好像离我们十分遥远，但是每年都有来自世界各地的新闻，几乎任何一个时间，都有地方发生地震。过去13年的汶川地震，在大家的印象中已经慢慢淡去，但对于经历过灾难的人来说，是一辈子难以磨灭的印记。而面对这种巨大的自然灾难，生命探测仪就发挥了强大的作用，可以救人于危难中。生命探测仪是一种安全救生装备，它是美国的物理学家大卫席思研发的，对于灾难中的搜救做出了卓越的贡献。其实生命探测仪是一个统称，具体根据探测范围和手法的不同，还可以分为红外探测、雷达探测、光学探测、声波振动探测和其他先进类探测。很不幸的是几乎每一种我们都听说过，尤其是雷达探测和红外探测。红外生命探测，需要被探测的物体体温在绝对零度以上，那么什么是绝对零度呢？和我们知道的0℃不同，绝对零度象征着极度的寒冷，换算下来大概相当于-273.15℃。也就是红外探测在我们日常的温度下都可以探测到生命。并且能够不畏条件的恶劣，不受干扰。雷达探测仪就又先进很多，相比于红外探测仪只能感受体温，雷达探测仪可以通过监测人体生命活动所引起的各种微动，从微动中得到心跳、呼吸等信息，再利用电磁波反射原理进行探测。不仅不受温湿度控制，噪音和地形也同样奈何不了它，稳定性好、准确率高。如果可以，没有人愿意认识这些探测仪，可灾难是无法避免的，我们现代的先进科学仪器，就是为了在自然灾难面前可以做到先知先觉和挽救更多生命。是我们的自救工具，相信在不久的将来，我们对于这类重大灾难，一定可以做到准确的预测和躲避。