無人機測大氣飛得準看得清

　　伴隨著一聲“開始降落”的指令，在河北望都縣農村環境研究站，新研制的無人機大氣立體監測裝備完成污染物監測和數據傳輸任務之后穩穩落地。

　　去年12月中旬，中國科學院生態環境研究中心痕量氣體大氣化學研究組協同多家單位成功開展了無人機大氣立體監測系統實驗。據項目負責人張成龍介紹，這一監測系統首次將低功耗大流量顆粒物采樣技術、多通道真空氣體采樣技術與無人機技術結合，契合了當前大氣污染科學迫切需要全方位精細化監測的需求。

　　填補大氣環境監測和研究盲區

　　在對流層大氣中，大氣污染物多從近地面垂直向上或水平擴散，作為大氣化學反應重要驅動力的太陽輻射則自上而下傳輸。因此，張成龍認為，大氣環境化學研究不能只關注近地面污染，還要關注一定高度范圍（特別是邊界層）內的大氣層結構和成分變化，否則很難全面揭示對流層實際的大氣化學反應過程。

　　此前已有多種大氣環境垂直監測方法得到應用，如大氣邊界層塔、有人飛機、氣球及氣艇等。但邊界層塔位置固定，高度通常在300米以下，且多建于城市地區；有人飛機只能在數百米及以上的高度飛行；氣球或氣艇抗風能力和移動性差，需要填充大量氦氣，單次運行成本高。這些方法已經無法滿足新時期大氣污染研究的需求。

　　“無人機的機動性和靈活性可以有效彌補上述缺陷，讓原來不容易接近的地方變得容易到達，使大氣監測真正做到動態性和立體性。”張成龍說，“農村地區不同于城市地區，它的下墊面多為農田和低矮村莊，大氣污染物處于較低大氣層，正好是無人機適合飛行和采集樣本的高度。”

　　精準化大氣研究工具

　　記者了解到，在中科院無人機大氣監測系統實驗成功之前，市場上已經有少數無人機產品應用于環境監測領域并和政府環境執法活動展開合作。對此，華翼天基科技有限公司相關負責人表示：“市場上的無人機設備并不專業，只是搭載幾種空氣傳感器，遠遠不能解決大氣多樣化和精準化的監測需求。”

　　張成龍團隊為提升系統精準化，在傳感器選擇階段，向南京信息工程大學教授龐小兵取經。龐小兵說，大氣傳感器會受到大氣溫度、濕度、其他共存成分以及電信號噪音的干擾，因此要通過多種技術手段降低上述因素對傳感器精度的影響。

　　最終，他們確定了具有較強抗干擾能力、能在實際大氣氣體中提取精確信息的低功耗大流量顆粒物采樣器、多通道真空氣體采樣器以及傳感器。傳感器可一次性記錄和傳輸10種參數，包括顆粒物、PM2.5和PM10等常規污染物參數。除此之外，采樣設備隨無人機升空之前，要經過地面標準臺站的數據校準；無人機升空之后，還要保證提前計算設計好的采樣器體積、續航能力等均滿足遠程控制、GPS三維定點懸停以及收集足夠分量大氣樣品的要求。

　　該立體監測系統攻克了低功耗大流量顆粒物采樣以及多通道真空氣體采樣等關鍵技術，實現大氣顆粒態、氣態以及液態等樣品的立體化定點采樣，為大氣污染全方位立體化的精確診斷提供重要的技術支持。

　　從無到有的科研“創業”

　　在張成龍看來，這次無人機大氣監測系統的實驗成功是一次從無到有的科研“創業”。沒有充足的資金來源，參與研制并提供傳感器、采樣器、無人機的企業也沒有向他索取任何費用，但他們卻向著一個共同的目標努力。

　　這支由交叉學科領域的人員臨時搭建的“夢之隊”，不斷突破技術難點，根據大氣采集監測系統需要滿足的科研要求對產品進行完善。華翼天基相關負責人表示：“為了提升監測系統在高空收集樣品時的抗風能力和穩定性，我們專門為無人機設計了氣動外形結構。”

　　談到無人機大氣監測系統的應用前景，張成龍認為“一千個人有一千個想法”。目前也有一些科研單位出于興趣聯系他們。在立體化精準化大氣化學研究工具的應用前景之外，他大膽設想，未來在火災、垃圾焚燒、環境污染執法等應急監測領域，無人機可以到達人們無法接近的地方發揮更大的作用，希望不同行業的人看到這個系統都能對其應用萌生不同的想法。