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从“追光人”到“发光者”——记兰州大学雷达智造团队

发布时间:2021-01-19 作者:尹晓军 许文艳 李晖 来源:中国教育新闻网

2020年10月,由兰州大学、新疆自治区气象局等单位共建的兰州大学“一带一路”激光雷达网-若羌站正式揭牌。至此,该雷达观测网国内段7个站全部建成,而在国外段,“一带一路”沿线国家4个站即将开建。

从硬件技术改进到新算法反演,再到大气遥感与环境监测应用……近年来,兰州大学大气科学学院教授黄建平、黄忠伟领衔的雷达智造团队不断攻坚克难,自主研发的多波段拉曼偏振激光雷达,不仅覆盖“一带一路”沿线国家和地区高精度、高分辨率的气象灾害预报预警系统,服务于铁路和物流运输,还正在全球气候变化研究等领域发挥着积极作用。

“追光”,源于萃英山下的对话

“你了解激光雷达吗?”

“你以后有信心造出来吗?”

2006年的秋天,兰州大学2003级物理科学与技术学院本科生黄忠伟缘于对雷达研究的兴趣,顺利通过大气科学学院跨专业保研考核。现场,大气科学学院教授黄建平直接对黄忠伟说:“你上萃英山顶!”

萃英山顶上坐落着刚刚建成的兰州大学半干旱气候与环境观测站。当时,该观测站的激光雷达是从国外进口的一台米散射激光雷达,在此之前一直是地面仪器。“进口的激光雷达造价贵,功能有限,信号分析源少,无法准确测出固体颗粒物的浓度与成分,而且很难适应温差大、颗粒物浓度高等西北地区干旱半干旱的气候条件。”黄建平说,一定要培养人,造雷达并开展气象研究。

2009年秋,在黄建平的协调下,黄忠伟前往日本东北大学进行联合培养。在日本,他不仅学习激光雷达技术,还掌握了一项“超能力”——荧光多波段测量。2011年,黄忠伟学成回国组建了激光雷达实验室和雷达智造团队。2014年1月,在这个总面积不到40平方米的“雷达加工车间”,诞生了我国第一台多波段拉曼-荧光激光雷达,并成为生产其它雷达的参考标准。

“激光雷达制造出来很不容易,从最开始用SolidWorks软件画图设计,到对购买来的一个个零配件进行组装调试,一台激光雷达光零部件就有100多个,每个零部件都要出2-3个方案。”黄忠伟说,相较于其他雷达,多波段拉曼-荧光激光雷达可实现大气气溶胶全荧光光谱的精细探测。

“就好比是拍摄多维度全景照片,可以看到大气颗粒物的不同侧面,测出的大气数据更加全面、立体、精准。”黄忠伟补充说,多波段拉曼-荧光激光雷达可测定38个波段和20公里的大气颗粒物信息,不仅提高了信号数据的反演精度,还可根据散射变化的频率测定物质成分。

“发光”,填补在激光雷达领域研发的空白

如果将硬件技术比作雷达的躯干,反演算法则是雷达的大脑。好的硬件提供优质的信号,好的算法计算出精准的数据,二者相辅相成,基于激光雷达的高精度反演算法是雷达智造团队的又一核心成果。

黄建平介绍,运用拉曼-荧光的散射原理,将激光雷达收集到的信号转化为可供专业人士采纳的大气数据,即“产品”,例如大气水汽、颗粒物等属性与浓度,依据此获知大气污染物的重要性质,并突出对大气颗粒物成分与浓度的分析,填补了我国在多波段拉曼-荧光激光雷达领域研发的空白。

2010年,该团队提出了一种有效的激光雷达气溶胶光学特性反演算法,在此基础上,通过发展硬件技术和新的反演算法,研发出一种基于激光雷达资料反演气溶胶体积浓度和粒子有效半径的新算法。目前,基于反演算法已经能准确测算出PM2.5和PM10的质量浓度、气溶胶微物理特性、气溶胶吸收系数廓线等数据、气溶胶和云的类型。

从多波段拉曼-荧光激光雷达系统、一种在线监测大气生物气溶胶的激光装置、一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统、一种激光雷达系统多通道回波信号转接装置,到可测量气溶胶浓度的气体采样器及系统……这些发明专利从雷达硬件系统设计到数据反演算法,从多波段拉曼偏振激光雷达数据采集控制软件V1.0到V2.0,再加上三维扫描环境监测激光雷达数据采集控制软件V1.0、激光雷达控制及数据显示系统V1.0这些配套的雷达数据采集控制软件。

14年里,兰州大学雷达智造团队在数据采集控制软件、雷达控制系统、数据显示系统等方面,研发了6项国际国内发明专利及4项计算机软件著作权,不仅满足了团队的科研需求,并已实现科技成果转化。

“聚光”,布局“一带一路”雷达观测网

“‘一带一路’激光雷达网,你敢不敢建?”

2017年,这是黄忠伟和黄建平的又一场对谈,距离上次保研考核已经过去了10年。

“激光雷达属于精密的光学仪器,对电力、网络和环境温度的稳定都有很高的要求。”当团队成员对激光雷达“走”出实验室心存顾虑时,黄忠伟主张,只有把激光雷达“布”出去,才能发现问题,解决问题。

2017年冬天,在零下20摄氏度的乌鲁木齐环保局楼顶上,黄忠伟团队一起“守”着第一个布出去的雷达已超过20多天,“这次‘蹲守’为我们研究装配式激光雷达提升保温性能、加装续航电池、安装停电报警系统以及提升它对外界环境的适应力积累了经验,雷达走出去,不存在一点问题。”

在黄忠伟的办公室墙上,贴着一张“一带一路”激光雷达观测网的全景地图,东起兰州,西至阿尔及利亚,共14个站点,跨越直线距离8000多公里。每个雷达站根据观测需求,分别设置了单波段、多波段、有无荧光等不同功能组合的激光雷达,还配有多通道微波辐射仪、太阳-天空-月亮光度计和颗粒物在线监测仪等其它气象观测仪器,及云探测卫星(CLOUDsat)、风云四号等卫星遥感观测。

“‘一带一路’激光雷达观测网的建设具有科学研究、人才培养、国际合作这几方面价值。”黄忠伟说,通过部署激光雷达观测网可以追踪“一带一路”沿线大气中沙尘的来源,分析高空中沙尘的走势,有利于更加了解我国沙尘天气的成因。

最近这段时间,兰州大学城关校区 12号学生公寓附近都有几个发出道道绿光的白色铁皮箱子,上面写着“拉曼偏振激光雷达”,格外引人注目。过不了多久,这些白色铁皮箱将会搭乘中欧班列,前往塔吉克斯坦、巴基斯坦等“一带一路”沿线国家,点点绿光,串联起来,将编织成一张跨越上万公里的激光雷达观测网。(中国教育报-中国教育新闻网记者 尹晓军 通讯员 许文艳 李晖)

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