從“追光人”到“發(fā)光者”——記蘭州大學(xué)雷達(dá)智造團(tuán)隊(duì)

2020年10月，由蘭州大學(xué)、新疆自治區(qū)氣象局等單位共建的蘭州大學(xué)“一帶一路”激光雷達(dá)網(wǎng)-若羌站正式揭牌。至此，該雷達(dá)觀測網(wǎng)國內(nèi)段7個(gè)站全部建成，而在國外段，“一帶一路”沿線國家4個(gè)站即將開建。

從硬件技術(shù)改進(jìn)到新算法反演，再到大氣遙感與環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用……近年來，蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院教授黃建平、黃忠偉領(lǐng)銜的雷達(dá)智造團(tuán)隊(duì)不斷攻堅(jiān)克難，自主研發(fā)的多波段拉曼偏振激光雷達(dá)，不僅覆蓋“一帶一路”沿線國家和地區(qū)高精度、高分辨率的氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，服務(wù)于鐵路和物流運(yùn)輸，還正在全球氣候變化研究等領(lǐng)域發(fā)揮著積極作用。

“追光”，源于萃英山下的對話

“你了解激光雷達(dá)嗎？”

“你以后有信心造出來嗎？”

2006年的秋天，蘭州大學(xué)2003級物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院本科生黃忠偉緣于對雷達(dá)研究的興趣，順利通過大氣科學(xué)學(xué)院跨專業(yè)保研考核。現(xiàn)場，大氣科學(xué)學(xué)院教授黃建平直接對黃忠偉說：“你上萃英山頂！”

萃英山頂上坐落著剛剛建成的蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測站。當(dāng)時(shí)，該觀測站的激光雷達(dá)是從國外進(jìn)口的一臺米散射激光雷達(dá)，在此之前一直是地面儀器?！斑M(jìn)口的激光雷達(dá)造價(jià)貴，功能有限，信號分析源少，無法準(zhǔn)確測出固體顆粒物的濃度與成分，而且很難適應(yīng)溫差大、顆粒物濃度高等西北地區(qū)干旱半干旱的氣候條件?！秉S建平說，一定要培養(yǎng)人，造雷達(dá)并開展氣象研究。

2009年秋，在黃建平的協(xié)調(diào)下，黃忠偉前往日本東北大學(xué)進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)。在日本，他不僅學(xué)習(xí)激光雷達(dá)技術(shù)，還掌握了一項(xiàng)“超能力”——熒光多波段測量。2011年，黃忠偉學(xué)成回國組建了激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室和雷達(dá)智造團(tuán)隊(duì)。2014年1月，在這個(gè)總面積不到40平方米的“雷達(dá)加工車間”，誕生了我國第一臺多波段拉曼-熒光激光雷達(dá)，并成為生產(chǎn)其它雷達(dá)的參考標(biāo)準(zhǔn)。

“激光雷達(dá)制造出來很不容易，從最開始用SolidWorks軟件畫圖設(shè)計(jì)，到對購買來的一個(gè)個(gè)零配件進(jìn)行組裝調(diào)試，一臺激光雷達(dá)光零部件就有100多個(gè)，每個(gè)零部件都要出2-3個(gè)方案?！秉S忠偉說，相較于其他雷達(dá)，多波段拉曼-熒光激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)大氣氣溶膠全熒光光譜的精細(xì)探測。

“就好比是拍攝多維度全景照片，可以看到大氣顆粒物的不同側(cè)面，測出的大氣數(shù)據(jù)更加全面、立體、精準(zhǔn)?！秉S忠偉補(bǔ)充說，多波段拉曼-熒光激光雷達(dá)可測定38個(gè)波段和20公里的大氣顆粒物信息，不僅提高了信號數(shù)據(jù)的反演精度，還可根據(jù)散射變化的頻率測定物質(zhì)成分。

“發(fā)光”，填補(bǔ)在激光雷達(dá)領(lǐng)域研發(fā)的空白

如果將硬件技術(shù)比作雷達(dá)的軀干，反演算法則是雷達(dá)的大腦。好的硬件提供優(yōu)質(zhì)的信號，好的算法計(jì)算出精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，二者相輔相成，基于激光雷達(dá)的高精度反演算法是雷達(dá)智造團(tuán)隊(duì)的又一核心成果。

黃建平介紹，運(yùn)用拉曼-熒光的散射原理，將激光雷達(dá)收集到的信號轉(zhuǎn)化為可供專業(yè)人士采納的大氣數(shù)據(jù)，即“產(chǎn)品”，例如大氣水汽、顆粒物等屬性與濃度，依據(jù)此獲知大氣污染物的重要性質(zhì)，并突出對大氣顆粒物成分與濃度的分析，填補(bǔ)了我國在多波段拉曼-熒光激光雷達(dá)領(lǐng)域研發(fā)的空白。

2010年，該團(tuán)隊(duì)提出了一種有效的激光雷達(dá)氣溶膠光學(xué)特性反演算法，在此基礎(chǔ)上，通過發(fā)展硬件技術(shù)和新的反演算法,研發(fā)出一種基于激光雷達(dá)資料反演氣溶膠體積濃度和粒子有效半徑的新算法。目前，基于反演算法已經(jīng)能準(zhǔn)確測算出PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度、氣溶膠微物理特性、氣溶膠吸收系數(shù)廓線等數(shù)據(jù)、氣溶膠和云的類型。

從多波段拉曼-熒光激光雷達(dá)系統(tǒng)、一種在線監(jiān)測大氣生物氣溶膠的激光裝置、一種用于環(huán)境監(jiān)測的三維掃描式多參量激光雷達(dá)系統(tǒng)、一種激光雷達(dá)系統(tǒng)多通道回波信號轉(zhuǎn)接裝置，到可測量氣溶膠濃度的氣體采樣器及系統(tǒng)……這些發(fā)明專利從雷達(dá)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)到數(shù)據(jù)反演算法，從多波段拉曼偏振激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集控制軟件V1.0到V2.0，再加上三維掃描環(huán)境監(jiān)測激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集控制軟件V1.0、激光雷達(dá)控制及數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)V1.0這些配套的雷達(dá)數(shù)據(jù)采集控制軟件。

14年里，蘭州大學(xué)雷達(dá)智造團(tuán)隊(duì)在數(shù)據(jù)采集控制軟件、雷達(dá)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)等方面，研發(fā)了6項(xiàng)國際國內(nèi)發(fā)明專利及4項(xiàng)計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)，不僅滿足了團(tuán)隊(duì)的科研需求，并已實(shí)現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化。

“聚光”，布局“一帶一路”雷達(dá)觀測網(wǎng)

“‘一帶一路’激光雷達(dá)網(wǎng)，你敢不敢建？”

2017年，這是黃忠偉和黃建平的又一場對談，距離上次保研考核已經(jīng)過去了10年。

“激光雷達(dá)屬于精密的光學(xué)儀器，對電力、網(wǎng)絡(luò)和環(huán)境溫度的穩(wěn)定都有很高的要求?！碑?dāng)團(tuán)隊(duì)成員對激光雷達(dá)“走”出實(shí)驗(yàn)室心存顧慮時(shí)，黃忠偉主張，只有把激光雷達(dá)“布”出去，才能發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。

2017年冬天，在零下20攝氏度的烏魯木齊環(huán)保局樓頂上，黃忠偉團(tuán)隊(duì)一起“守”著第一個(gè)布出去的雷達(dá)已超過20多天，“這次‘蹲守’為我們研究裝配式激光雷達(dá)提升保溫性能、加裝續(xù)航電池、安裝停電報(bào)警系統(tǒng)以及提升它對外界環(huán)境的適應(yīng)力積累了經(jīng)驗(yàn)，雷達(dá)走出去，不存在一點(diǎn)問題?！?/p>

在黃忠偉的辦公室墻上，貼著一張“一帶一路”激光雷達(dá)觀測網(wǎng)的全景地圖，東起蘭州，西至阿爾及利亞，共14個(gè)站點(diǎn)，跨越直線距離8000多公里。每個(gè)雷達(dá)站根據(jù)觀測需求，分別設(shè)置了單波段、多波段、有無熒光等不同功能組合的激光雷達(dá)，還配有多通道微波輻射儀、太陽-天空-月亮光度計(jì)和顆粒物在線監(jiān)測儀等其它氣象觀測儀器，及云探測衛(wèi)星（CLOUDsat）、風(fēng)云四號等衛(wèi)星遙感觀測。

“‘一帶一路’激光雷達(dá)觀測網(wǎng)的建設(shè)具有科學(xué)研究、人才培養(yǎng)、國際合作這幾方面價(jià)值?！秉S忠偉說，通過部署激光雷達(dá)觀測網(wǎng)可以追蹤“一帶一路”沿線大氣中沙塵的來源，分析高空中沙塵的走勢，有利于更加了解我國沙塵天氣的成因。

最近這段時(shí)間，蘭州大學(xué)城關(guān)校區(qū) 12號學(xué)生公寓附近都有幾個(gè)發(fā)出道道綠光的白色鐵皮箱子，上面寫著“拉曼偏振激光雷達(dá)”，格外引人注目。過不了多久，這些白色鐵皮箱將會搭乘中歐班列，前往塔吉克斯坦、巴基斯坦等“一帶一路”沿線國家，點(diǎn)點(diǎn)綠光，串聯(lián)起來，將編織成一張跨越上萬公里的激光雷達(dá)觀測網(wǎng)。（中國教育報(bào)-中國教育新聞網(wǎng)記者 尹曉軍 通訊員 許文艷 李暉）