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从“追光人”到“发光者”——记兰州大学雷达智造团队

公布时间:2021-01-19 作者:尹晓军 许文艳 李晖 泉源:中国教育新闻

2020年10月,由兰州大学、新疆自治区气象局等单元共建的兰州大学“一带一起”激光雷达网-若羌站正式揭牌。至此,该雷达观察网海内段7个站所有建成,而在外洋段,“一带一起”沿线国家4个站即将开建。

从硬件手艺改进到新算法反演,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停攻坚克难,自主研发的多波段拉曼偏振激光雷达,不仅笼罩“一带一起”沿线国家和地区高精度、高分辨率的气象灾难预告预警系统,服务于铁路和物流运输,还正在全球天气转变研究等领域发挥着积极作用。

“追光”,源于萃英山下的对话

“你领会激光雷达吗?”

“你以后有信心造出来吗?”

2006年的秋天,兰州大学2003级物理科学与手艺学院本科生黄忠伟缘于对雷达研究的兴趣,顺遂通过大气科学学院跨专业保研审核。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天气与环境观察站。那时,该观察站的激光雷达是从外洋入口的一台米散射激光雷达,在此之前一直是地面仪器。“入口的激光雷达造价贵,功效有限,信号剖析源少,无法准确测出固体颗粒物的浓度与身分,而且很难顺应温差大、颗粒物浓度高等西北地区干旱半干旱的天气条件。”黄建平说,一定要培育人,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举行团结培育。在日本,他不仅学习激光雷达手艺,还掌握了一项“超能力”——荧光多波段丈量。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尺度。

“激光雷达制造出来很不容易,从最最先用SolidWorks软件绘图设计,到对购买来的一个个零配件举行组装调试,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致探测。

“就好比是拍摄多维度全景照片,可以看到大气颗粒物的差别侧面,测出的大气数据加倍周全、立体、精准。”黄忠伟弥补说,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,还可凭据散射转变的频率测定物质身分。

“发光”,填补在激光雷达领域研发的空缺

若是将硬件手艺比作雷达的躯干,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焦点功效。

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黄建平先容,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取的大气数据,即“产物”,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主要性子,并突出对大气颗粒物身分与浓度的剖析,填补了我国在多波段拉曼-荧光激光雷达领域研发的空缺。

2010年,该团队提出了一种有用的激光雷达气溶胶光学特征反演算法,在此基础上,通过生长硬件手艺和新的反演算法,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用半径的新算法。现在,基于反演算法已经能准确测算出PM2.5和PM10的质量浓度、气溶胶微物理特征、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,到可丈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项国际海内发明专利及4项计算机软件著作权,不仅知足了团队的科研需求,并已实现科技功效转化。

“聚光”,结构“一带一起”雷达观察网

“‘一带一起’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,距离上次保研审核已经过去了10年。

“激光雷达属于周详的光学仪器,对电力、网络和环境温度的稳固都有很高的要求。”当团队成员对激光雷达“走”出实验室心存挂念时,黄忠伟主张,只有把激光雷达“布”出去,才气发现问题,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跨越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顺应力积累了履历,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“一带一起”激光雷达观察网的全景舆图,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。每个雷达站凭据观察需求,划分设置了单波段、多波段、有无荧光等差别功效组合的激光雷达,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察仪器,及云探测卫星(CLOUDsat)、风云四号等卫星遥感观察。

“‘一带一起’激光雷达观察网的建设具有科学研究、人才培育、国际合作这几方面价值。”黄忠伟说,通过部署激光雷达观察网可以追踪“一带一起”沿线大气中沙尘的泉源,剖析高空中沙尘的走势,有利于加倍领会我国沙尘天气的成因。

最近这段时间,兰州大学城关校区 12号学生公寓四周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“一带一起”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察网。(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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