[兰州大学报]从追光人到发光者——记兰州大学雷达智造团队

日期: 2020-11-27 阅读: 来源: 关键词:

本报记者 许文艳 学通社记者 李晖

兰州大学激光雷达大气遥感实验室中的第二代多波段拉曼激光荧光雷达

PM10&PM2.5反演算法

“一带一路”激光雷达观测网的拟布置站点分布

位于萃英山顶的兰州大学半干旱气候与环境观测站

黄建平教授与若羌气象局局长任伟共同为『一带一路』激光雷达网若羌站揭牌

2014年黄忠伟团队在观云楼讨论设计方案并组装雷达

兰州大学城关校区装有雷达的白色观测箱发出的激光

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2020年10月,由兰州大学大气科学学院黄建平教授、黄忠伟教授领衔的雷达智造团队建设的“一带一路”激光雷达观测网-若羌站揭牌,标志着该雷达观测网国内段7个站全部建成。国外段,与部分“一带一路”沿线国家达成协议,即将布置4个站,还有3个站已确定站址。

每个雷达站均以兰州大学自主研发的多波段拉曼偏振激光雷达为主要监测仪器。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,兰州大学雷达智造团队在“一条龙”研发之路上不断攻坚克难、升级迭代,将中国的雷达布局在“一带一路”沿线。

他们构建的立体观测体系,不仅旨在研发覆盖“一带一路”沿线国家和地区的高精度、高分辨率的气象灾害预报预警系统,服务铁路和物流运输等社会经济发展领域,还将会在全球气候变化研究、校正我国星载激光雷达等领域发挥积极作用。

此时,兰州大学雷达智造团队的激光雷达研发之路已经走过了14个年头。从严重依赖国外进口激光雷达,到自主研发制造了14台激光雷达,其中包括拥有我国自主知识产权的首台多波段拉曼-荧光激光雷达系统。这个14年的激光雷达研发故事,要从一场跨专业保研考核说起。

1“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年的那个秋天,在兰州大学跨专业保研考核的现场,2003级物理科学与技术学院本科生黄忠伟正在接受大气科学学院保研考核。他对面坐着的是大气科学学院黄建平教授。

问及当初为何从物理学院选择学生时,黄建平教授解释:“黄忠伟是学物理的,对雷达方面的研究非常感兴趣,自己培养人来造雷达并开展气象研究,不仅可以解决国外垄断激光雷达的问题,还能拓展新的研究领域。”

黄建平教授介绍,在大气研究领域,兰州大学在2006年以前用的是地面仪器,在2014年前用的是从国外进口的一台米散射激光雷达。激光雷达能够收集到距地表几十公里范围内大气中的污染物、水汽和云的分布情况的观测数据。当前我国在全球气候变化、环境污染、空间环境监测等领域都对激光雷达技术有迫切的大量需求,但是一直依赖进口国外的高成本产品,严重制约着我国相关领域的进一步发展。

不仅造价昂贵,国外激光雷达功能还有限,一般只能测到少数波段,信号分析源少,且普通雷达还无法准确测出固体颗粒物的浓度与成分。同时,这些高精度仪器先天生存校准环境的优越性很难适应气候干、温差大、颗粒物浓度高等西北地区干旱半干旱的气候条件,常常显现出水土不服的情况,导致仪器不能正常使用。

“之前了解的都是一些军事雷达,我从没想过有一天自己能造出激光雷达。”黄忠伟回忆道。

通过保研考核后,黄忠伟收拾好自己的行李,像其他保研本校的学生一样,前往城关校区完成毕业论文。此时他接到黄建平教授的电话:“你不要到市区来了,直接上萃英山顶。”

萃英山顶上坐落着当年刚刚建成的兰州大学半干旱气候与环境观测站。就是在这里,黄忠伟不仅第一次接触到了激光雷达,还把它拆了。

150万元人民币,是2006年初从美国购买一台激光雷达的价格。2007年,这台架在萃英山顶的激光雷达出现故障,黄忠伟拿着一把螺丝刀就把它拆了。

“黄建平老师见了,说我胆子真大,周围都是本科学大气的同学,他们不敢拆这么贵的一台机器。我本科是物理专业,四年都在做力、热、光、电的实验,凡是仪器坏了都习惯拆开看看。但是拆了真不一样,学到了不少东西。”黄忠伟说。

黄建平教授说:“黄忠伟经常自己动手拆解组装这台雷达,对雷达的各项功能和原理都非常熟悉,所以渐渐就开始了这方面的深入研究。”

2009年秋,在黄建平教授的协调帮助下,黄忠伟前往日本东北大学进行联合培养。他此行的目标很明确,就是要把激光雷达技术学到手。在日本,黄忠伟不仅学习到了激光雷达技术,还掌握了额外的一项“超能力”———荧光多波段测量。当时的技术只能测量荧光信号的一部分,黄忠伟在日本期间掌握已有雷达技术的基础上,又钻研出多个波段测量荧光信号的技术,当时这方面的相关研究很少。

“还记得在日本期间,我凌晨5点还在空无一人的实验室测量荧光的情形,只能听见窗外乌鸦的叫声。”凭借不懈的努力,黄忠伟和导师终于在2014年成功研制出了属于我国的第一台多波段拉曼-荧光激光雷达。

2“韬光”,改进硬件技术

2011年,黄忠伟学成回国,在兰州大学组建了激光雷达实验室。2014年1月,在这个小小的两间总面积不到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。6年间,他们先后制造了14台激光雷达。如今,在兰州大学激光雷达大气遥感实验室,摆放的两个大小不一的“黑箱子”就是第二代多波段拉曼-荧光激光雷达。

激光雷达由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成,激光器将光脉冲发射出去,光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲,送到显示器。

“每台雷达就像一个baby一样,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,都是一步一步亲手做出来的。”黄忠伟说。

“一台激光雷达有100多个零部件,为了提高反演算法的精度,提高雷达的性能,每个零部件黄忠伟老师都要求我们出2-3个方案,哪怕是一个小小的镜架的设计都要开会讨论,黄老师细心谨慎,从多角度考虑问题。”团队科研助理李武仁说。

在多波段拉曼-荧光激光雷达被研制出来之前,市场上已经有了多波段激光雷达、拉曼激光雷达和荧光激光雷达,但真正把“多波段”“拉曼”“荧光”这些不同元素组合在一起并非像“1+1+1=3”这样简单,而是需要克服它们之间各种相互干扰的因素,反复试验才能得到最优组合的多波段拉曼-荧光激光雷达,真正实现大气气溶胶(所谓气溶胶,一般指大气颗粒物,是大气中存在的各种固态和液态颗粒状物质的总称。)全荧光光谱的精细探测。

如果把单波段激光雷达比作给大气中的颗粒物拍摄照片,拍出来的照片只是平面的;多波段激光雷达就像是拍摄多维度全景照片,让我们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。

黄建平教授介绍,所谓的“荧光”就是人们逐渐发现的大气中悬浮的粒子释放出来的,它不光是像沙尘这种固体的,还有微生物或者是有机物悬浮。“多波段”加上“荧光”的加持,“看到20公里以外的细菌病毒”,这不是在做梦,这就是荧光的厉害之处,它是观测大气中细菌病毒的得力助手。“这种只能用荧光才能探测到。下一步团队攻克的难题是如何将它们一一分辨。”

多波段拉曼-荧光激光雷达运用微弱信号探测、高精度分光、光机设计和加工等技术,采用高功率激光器向天空同时发射紫外、可见、近红外光束等3束激光,即3个波段,紫外激光与大气颗粒物作用之后,就会释放出荧光,利用大口径望远镜接收大气反射回来的信号,通过对这些微弱信号进行分光、提取和探测,主要通过接收信号,以绿光、红外光、紫光的顺序通过光学镜片分段、再通过光电倍增管和光谱仪出图分析。它可测定38个波段,其中运用光谱仪测定的有32个,运用探测器测定的有6个。激光雷达的激光能量为350mJ,望远镜直径为35cm,空间分辨率为3.75m,时间分辨率为1分钟(其中荧光信号为5分钟),可探测高达20公里的大气颗粒物信息。通过接收180个纳米宽32个波段的荧光信号和拉曼信号,不仅大大提高了信号数据的反演精度,而且可对散射变化的频率测定物质成分。

3“反光”,研发新反演算法

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。黄忠伟深知让兰大智造的激光雷达发挥更大作用和效能的关键所在,因此,在日本学成后,除了钻研硬件技术的改进外,他和团队成员一直致力于新反演算法的研发。

基于激光雷达的高精度反演算法是黄忠伟团队的又一核心成果,市场上没有现成的相关反演算法的数据采集控制软件,黄忠伟团队通过自主编程写代码,提高反演算法精度。

运用拉曼-荧光的散射原理,黄忠伟团队可以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,获知大气污染物的重要性质,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。

业内有很多同行研发关于PM2.5和PM10信号的反演算法,黄忠伟团队通过算法技术,进一步提高了算法的反演精度。他们的研究成果以《十年星载CALIPSO激光雷达观测全球颗粒物质量浓度计算》为题发表在国外高水平期刊《ScienceofTheTotalEnviron鄄ment》。该技术不仅运用到了自主制造的雷达上,也运用到了美国卫星的激光雷达上。

2010年,黄忠伟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,并利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2007年4月-10月的激光雷达资料进行了反演试验。

黄忠伟说:“不同高度气溶胶有效粒子半径当前很少有人能计算出来,我带着一个学生计算出来了,也已经申请了发明专利。”2012年,黄忠伟团队尝试通过发展硬件技术和新的反演算法等两方面,进一步提高激光雷达的大气遥感能力,发展了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,利用兰州大学半干旱气候与环境观测站的双偏振米散射激光雷达所得到的消光后向散射系数,退偏比和色比等光学特性参量,以及太阳光度计(CE-318)的反演结果,采用非线性回归分析等先进的多元统计分析方法,研究激光雷达所观测的光学特性参量与粒子物理信息之间的定量关系。

目前基于反演算法已经能测算出: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。

4“发光”,用于大气遥感与环境监测研究

“既有硬件设计,又有算法开发,还有后期的应用,我们整个研发产业链是完整的。”黄忠伟说。

黄忠伟团队制造的激光雷达主要用于大气遥感与环境监测研究。针对大气气溶胶,以激光雷达为主要研究手段,他们分别从硬件技术改进、新算法反演及大气遥感应用等三方面出发,系统地研究激光雷达大气气溶胶遥感的主要工作。还利用多通道扫描式激光雷达监测大气污染物的3D分布等。

该激光雷达不仅可用于大气雾霾探测的研究及预警,还可用于卫星数据校正、气象观测、气象干预等领域,例如雷达收集到的关于云层的信号可转化为云层的数据,供气象部门人工降雨时参考。“人工降雨需要用高射炮往云层里打催化剂,什么时候打、打多少、怎么打,都需要数据提供精确指导。”黄忠伟教授说。

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、多功能多气路可调流量气体采样器及系统、质量浓度分析方法及装置……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,黄忠伟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,以及4项计算机软件著作权。

如今,这个兰大“激光雷达加工车间”智造的激光雷达不仅能满足黄忠伟团队的科研需求,还可供环保部门和兄弟高校使用。甘肃省生态环境厅购买了其中3台激光雷达,用于沙尘暴、雾霾的监测,实现科技成果转化。黄忠伟说,目前激光雷达的生产还未达到批量生产的程度,自制雷达主要出于自身科研需要,同时也进行了专利的转化应用。

不止于此,这些激光雷达还从兰州走出了国门,拓展到了“一带一路”沿线国家。

5“聚光”,布局“一带一路”雷达观测网

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十年。

“‘一带一路’激光雷达网,你敢不敢建?”黄建平问。

黄忠伟说:“咱就做呗,就是多加点班。”其实当时刚博士毕业5年的黄忠伟心里也没底,要知道2017年之前,激光雷达都是被当做“瓷娃娃”摆在实验室里的,要想走出实验室到“一带一路”去,这里面涉及研发、工程、沟通多方面的问题。

“我很佩服黄忠伟老师,他胆子大、想法创新,要不是他尝试,一开始雷达连实验室都走不出去。”李武仁说。

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,不满足要求的话一台价格百万元人民币的激光雷达就可能面临报废的风险。

当团队成员对激光雷达走出实验室都心存顾虑时,黄忠伟主张,只有把激光雷达布出去,我们才能发现问题,解决问题。制造装配式激光雷达———让雷达“进箱子、走出去”的方向才正式确定了下来。

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20多天。这次经历为他们日后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,进而提升它对外界环境的适应力积累了经验、打下了基础。

解决了激光雷达走出去的问题,下一步就是如何让它走得远了。

在黄忠伟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,它东起兰州,西至阿尔及利亚,共14个站点,跨越直线距离8000多公里,可获得全球干旱半干旱区的大气监测整体数据。用红旗标注着已建成的站点,黄旗标注的是将要建设的站点。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,此外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,综合利用分辨率成像光谱仪(MODIS)、云-气溶胶激光雷达与红外探路者卫星观测(CALIPSO)、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。近年来,利用激光雷达观测的数据,黄忠伟团队在国际国内期刊发表了《气溶胶运动中亚洲沙尘输运路径上大气生物气溶胶的特征研究》《亚洲沙尘直接运往北极的捷径路径:一个案例研究》等相关应用成果。截至2020年9月,参与激光雷达智造项目毕业的本科生、硕士、博士研究生已达30人,他们毕业后还在从事与大气污染监测相关方面的研究。

中方提供激光雷达和相关检测设备,“一带一路”国家提供场地环境,双方加强国际合作。“2019年我们还前后邀请了塔吉克斯坦科学院乌马罗夫物理技术研究所、巴基斯坦白沙瓦大学的5个青年专家来校访问,培训他们,回国之后他们也会对‘一带一路’雷达站进行设备的维护。”黄忠伟说,“巴基斯坦白沙瓦大学还计划建立一个大气科学学院,希望我们这边提供师资进行授课。”

几乎每个夜晚,兰州大学城关校区 12号学生公寓附近,几个白色铁皮箱发出道道绿光,铁皮箱上写着———拉曼偏振激光雷达。过不了多久,这些白色铁皮箱将会搭乘中欧班列,前往塔吉克斯坦和巴基斯坦。未来,更多的激光雷达将通过装配运输的方式被送往“一带一路”沿线国家。一带一路,点点绿光,串联起来,编织成一张跨越上万公里的激光雷达观测网。通过国际合作,共同开展对大气成分的监测、研究。

黄建平团队在不断提升激光雷达探测功能、反演算法精度、做好应用开发的同时,现已着手将“一带一路”激光雷达观测网收集到的数据通过网络平台予以公开,实现数据共享,希望更多人参与进来,为相关研究打开一扇更广阔的大门。

(《兰州大学报》2020年11月27日 总第974期 第02版:教学科研)

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编辑:陈柄霖
责任编辑:许文艳

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