14年長跑,蘭大這支團隊讓研發成果走向「一帶一路」

2021-01-10 蘭州大學

2020年10月,由蘭州大學大氣科學學院黃建平教授、黃忠偉教授領銜的雷達智造團隊建設的「一帶一路」雷射雷達觀測網-若羌站揭牌,標誌著該雷達觀測網國內段7個站全部建成。國外段,與部分「一帶一路」沿線國家達成協議,即將布置4個站,還有3個站已確定站址。

圖|黃建平教授與若羌氣象局局長任偉共同為『一帶一路』雷射雷達網若羌站揭牌

每個雷達站均以蘭州大學自主研發的多波段拉曼偏振雷射雷達為主要監測儀器。從硬體技術改進到新算法反演,再到大氣遙感與環境監測應用,蘭州大學雷達智造團隊在「一條龍」研發之路上不斷攻堅克難、升級迭代,將中國的雷達布局在「一帶一路」沿線。

他們構建的立體觀測體系,不僅旨在研發覆蓋「一帶一路」沿線國家和地區的高精度、高解析度的氣象災害預報預警系統,服務鐵路和物流運輸等社會經濟發展領域,還將會在全球氣候變化研究、校正我國星載雷射雷達等領域發揮積極作用。

此時,蘭州大學雷達智造團隊的雷射雷達研發之路已經走過了14個年頭。從嚴重依賴國外進口雷射雷達,到自主研發製造了14臺雷射雷達,其中包括擁有我國自主智慧財產權的首臺多波段拉曼-螢光雷射雷達系統。這個14年的雷射雷達研發故事,要從一場跨專業保研考核說起。

「追光」,源於萃英山下的對話

「你了解雷射雷達嗎?」

「你以後有信心造出來嗎?」  2006年的那個秋天,在蘭州大學跨專業保研考核的現場,2003級物理科學與技術學院本科生黃忠偉正在接受大氣科學學院保研考核。他對面坐著的是大氣科學學院黃建平教授。  問及當初為何從物理學院選擇學生時,黃建平教授解釋:「黃忠偉是學物理的,對雷達方面的研究非常感興趣,自己培養人來造雷達並開展氣象研究,不僅可以解決國外壟斷雷射雷達的問題,還能拓展新的研究領域。」  黃建平教授介紹,在大氣研究領域,蘭州大學在2006年以前用的是地面儀器,在2014年前用的是從國外進口的一臺米散射雷射雷達。雷射雷達能夠收集到距地表幾十公裡範圍內大氣中的汙染物、水汽和雲的分布情況的觀測數據。當前我國在全球氣候變化、環境汙染、空間環境監測等領域都對雷射雷達技術有迫切的大量需求,但是一直依賴進口國外的高成本產品,嚴重製約著我國相關領域的進一步發展。  不僅造價昂貴,國外雷射雷達功能還有限,一般只能測到少數波段,信號分析源少,且普通雷達還無法準確測出固體顆粒物的濃度與成分。同時,這些高精度儀器先天生存校準環境的優越性很難適應氣候幹、溫差大、顆粒物濃度高等西北地區乾旱半乾旱的氣候條件,常常顯現出水土不服的情況,導致儀器不能正常使用。  「之前了解的都是一些軍事雷達,我從沒想過有一天自己能造出雷射雷達。」黃忠偉回憶道。  通過保研考核後,黃忠偉收拾好自己的行李,像其他保研本校的學生一樣,前往城關校區完成畢業論文。此時他接到黃建平教授的電話:「你不要到市區來了,直接上萃英山頂。」  萃英山頂上坐落著當年剛剛建成的蘭州大學半乾旱氣候與環境觀測站。就是在這裡,黃忠偉不僅第一次接觸到了雷射雷達,還把它拆了。  150萬元人民幣,是2006年初從美國購買一臺雷射雷達的價格。2007年,這臺架在萃英山頂的雷射雷達出現故障,黃忠偉拿著一把螺絲刀就把它拆了。  「黃建平老師見了,說我膽子真大,周圍都是本科學大氣的同學,他們不敢拆這麼貴的一臺機器。我本科是物理專業,四年都在做力、熱、光、電的實驗,凡是儀器壞了都習慣拆開看看。但是拆了真不一樣,學到了不少東西。」黃忠偉說。  黃建平教授說:「黃忠偉經常自己動手拆解組裝這臺雷達,對雷達的各項功能和原理都非常熟悉,所以漸漸就開始了這方面的深入研究。」  2009年秋,在黃建平教授的協調幫助下,黃忠偉前往日本東北大學進行聯合培養。他此行的目標很明確,就是要把雷射雷達技術學到手。在日本,黃忠偉不僅學習到了雷射雷達技術,還掌握了額外的一項「超能力」———螢光多波段測量。當時的技術只能測量螢光信號的一部分,黃忠偉在日本期間掌握已有雷達技術的基礎上,又鑽研出多個波段測量螢光信號的技術,當時這方面的相關研究很少。  「還記得在日本期間,我凌晨5點還在空無一人的實驗室測量螢光的情形,只能聽見窗外烏鴉的叫聲。」憑藉不懈的努力,黃忠偉和導師終於在2014年成功研製出了屬於我國的第一臺多波段拉曼-螢光雷射雷達。

「韜光」,改進硬體技術

2011年,黃忠偉學成回國,在蘭州大學組建了雷射雷達實驗室。2014年1月,在這個小小的兩間總面積不到40平方米的「雷達加工車間」誕生了我國第一臺多波段拉曼-螢光雷射雷達,並成為生產其它雷達的參考標準。6年間,他們先後製造了14臺雷射雷達。如今,在蘭州大學雷射雷達大氣遙感實驗室,擺放的兩個大小不一的「黑箱子」就是第二代多波段拉曼-螢光雷射雷達。

圖|2014年黃忠偉團隊在觀雲樓討論設計方案並組裝雷達

雷射雷達由雷射發射機、光學接收機、轉臺和信息處理系統等組成,雷射器將光脈衝發射出去,光接收機再把從目標反射回來的光脈衝還原成電脈衝,送到顯示器。

「每臺雷達就像一個baby一樣,製造出來很不容易,從最開始用SolidWorks軟體畫圖設計,到對購買來的一個個零配件進行組裝調試,都是一步一步親手做出來的。」黃忠偉說。

「一臺雷射雷達有100多個零部件,為了提高反演算法的精度,提高雷達的性能,每個零部件黃忠偉老師都要求我們出2-3個方案,哪怕是一個小小的鏡架的設計都要開會討論,黃老師細心謹慎,從多角度考慮問題。」團隊科研助理李武仁說。

圖|蘭州大學雷射雷達大氣遙感實驗室中的第二代多波段拉曼螢光雷射雷達

在多波段拉曼-螢光雷射雷達被研製出來之前,市場上已經有了多波段雷射雷達、拉曼雷射雷達和螢光雷射雷達,但真正把「多波段」「拉曼」「螢光」這些不同元素組合在一起並非像「1+1+1=3」這樣簡單,而是需要克服它們之間各種相互幹擾的因素,反覆試驗才能得到最優組合的多波段拉曼-螢光雷射雷達,真正實現大氣氣溶膠(所謂氣溶膠,一般指大氣顆粒物,是大氣中存在的各種固態和液態顆粒狀物質的總稱。)全螢光光譜的精細探測。

如果把單波段雷射雷達比作給大氣中的顆粒物拍攝照片,拍出來的照片只是平面的;多波段雷射雷達就像是拍攝多維度全景照片,讓我們可以看到大氣顆粒物的不同側面,測出的大氣數據更加全面、立體、精準。

黃建平教授介紹,所謂的「螢光」就是人們逐漸發現的大氣中懸浮的粒子釋放出來的,它不光是像沙塵這種固體的,還有微生物或者是有機物懸浮。「多波段」加上「螢光」的加持,「看到20公裡以外的細菌病毒」,這不是在做夢,這就是螢光的厲害之處,它是觀測大氣中細菌病毒的得力助手。「這種只能用螢光才能探測到。下一步團隊攻克的難題是如何將它們一一分辨。」

多波段拉曼-螢光雷射雷達運用微弱信號探測、高精度分光、光機設計和加工等技術,採用高功率雷射器向天空同時發射紫外、可見、近紅外光束等3束雷射,即3個波段,紫外雷射與大氣顆粒物作用之後,就會釋放出螢光,利用大口徑望遠鏡接收大氣反射回來的信號,通過對這些微弱信號進行分光、提取和探測,主要通過接收信號,以綠光、紅外光、紫光的順序通過光學鏡片分段、再通過光電倍增管和光譜儀出圖分析。它可測定38個波段,其中運用光譜儀測定的有32個,運用探測器測定的有6個。雷射雷達的雷射能量為350mJ,望遠鏡直徑為35cm,空間解析度為3.75m,時間解析度為1分鐘(其中螢光信號為5分鐘),可探測高達20公裡的大氣顆粒物信息。通過接收180個納米寬32個波段的螢光信號和拉曼信號,不僅大大提高了信號數據的反演精度,而且可對散射變化的頻率測定物質成分。

「反光」,研發新反演算法

如果將硬體技術比作雷達的軀幹,反演算法則是雷達的大腦。好的硬體提供優質的信號,好的算法計算出精準的數據,二者相輔相成。黃忠偉深知讓蘭大智造的雷射雷達發揮更大作用和效能的關鍵所在,因此,在日本學成後,除了鑽研硬體技術的改進外,他和團隊成員一直致力於新反演算法的研發。

基於雷射雷達的高精度反演算法是黃忠偉團隊的又一核心成果,市場上沒有現成的相關反演算法的數據採集控制軟體,黃忠偉團隊通過自主編程寫代碼,提高反演算法精度。

運用拉曼-螢光的散射原理,黃忠偉團隊可以將雷射雷達收集到的信號,轉化為可供專業人士採納的大氣數據,即「產品」,例如大氣水汽、顆粒物等屬性與濃度,獲知大氣汙染物的重要性質,突出對大氣顆粒物成分與濃度的分析,填補了我國在多波段拉曼-螢光雷射雷達領域研發的空白。

業內有很多同行研發關於PM2.5和PM10信號的反演算法,黃忠偉團隊通過算法技術,進一步提高了算法的反演精度。他們的研究成果以《十年星載CALIPSO雷射雷達觀測全球顆粒物質量濃度計算》為題發表在國外高水平期刊《ScienceofTheTotalEnviron鄄ment》。該技術不僅運用到了自主製造的雷達上,也運用到了美國衛星的雷射雷達上。

2010年,黃忠偉團隊提出了一種有效的雷射雷達氣溶膠光學特性反演算法,並利用蘭州大學半乾旱氣候與環境觀測站2007年4月-10月的雷射雷達資料進行了反演試驗。

圖|位於萃英山頂的蘭州大學半乾旱氣候與環境觀測站

黃忠偉說:「不同高度氣溶膠有效粒子半徑當前很少有人能計算出來,我帶著一個學生計算出來了,也已經申請了發明專利。」2012年,黃忠偉團隊嘗試通過發展硬體技術和新的反演算法等兩方面,進一步提高雷射雷達的大氣遙感能力,發展了一種基於雷射雷達資料反演氣溶膠體積濃度和粒子有效半徑的新算法,利用蘭州大學半乾旱氣候與環境觀測站的雙偏振米散射雷射雷達所得到的消光後向散射係數,退偏比和色比等光學特性參量,以及太陽光度計(CE-318)的反演結果,採用非線性回歸分析等先進的多元統計分析方法,研究雷射雷達所觀測的光學特性參量與粒子物理信息之間的定量關係。

目前基於反演算法已經能測算出:PM2.5和PM10的質量濃度、氣溶膠微物理特性、氣溶膠吸收係數廓線等數據、氣溶膠和雲的類型。

「發光」,用於大氣遙感與環境監測研究

「既有硬體設計,又有算法開發,還有後期的應用,我們整個研發產業鏈是完整的。」黃忠偉說。

黃忠偉團隊製造的雷射雷達主要用於大氣遙感與環境監測研究。針對大氣氣溶膠,以雷射雷達為主要研究手段,他們分別從硬體技術改進、新算法反演及大氣遙感應用等三方面出發,系統地研究雷射雷達大氣氣溶膠遙感的主要工作。還利用多通道掃描式雷射雷達監測大氣汙染物的3D分布等。

該雷射雷達不僅可用於大氣霧霾探測的研究及預警,還可用於衛星數據校正、氣象觀測、氣象幹預等領域,例如雷達收集到的關於雲層的信號可轉化為雲層的數據,供氣象部門人工降雨時參考。「人工降雨需要用高射炮往雲層裡打催化劑,什麼時候打、打多少、怎麼打,都需要數據提供精確指導。」黃忠偉教授說。

從多波段拉曼-螢光雷射雷達系統、一種在線監測大氣生物氣溶膠的雷射裝置、一種用於環境監測的三維掃描式多參量雷射雷達系統、一種雷射雷達系統多通道回波信號轉接裝置,到可測量氣溶膠濃度的氣體採樣器及系統、多功能多氣路可調流量氣體採樣器及系統、質量濃度分析方法及裝置……這些發明專利從雷達硬體系統設計到數據反演算法;從多波段拉曼偏振雷射雷達數據採集控制軟體V1.0到V2.0,再加上三維掃描環境監測雷射雷達數據採集控制軟體V1.0、雷射雷達控制及數據顯示系統V1.0這些配套的雷達數據採集控制軟體,14年裡,黃忠偉團隊在數據採集控制軟體、雷達控制系統、數據顯示系統等方面,研發了6項國際國內發明專利,以及4項計算機軟體著作權。

如今,這個蘭大「雷射雷達加工車間」智造的雷射雷達不僅能滿足黃忠偉團隊的科研需求,還可供環保部門和兄弟高校使用。甘肅省生態環境廳購買了其中3臺雷射雷達,用於沙塵暴、霧霾的監測,實現科技成果轉化。黃忠偉說,目前雷射雷達的生產還未達到批量生產的程度,自製雷達主要出於自身科研需要,同時也進行了專利的轉化應用。

不止於此,這些雷射雷達還從蘭州走出了國門,拓展到了「一帶一路」沿線國家。

「聚光」,布局「一帶一路」雷達觀測網

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過去了十年。

「『一帶一路』雷射雷達網,你敢不敢建?」黃建平問。

黃忠偉說:「咱就做唄,就是多加點班。」其實當時剛博士畢業5年的黃忠偉心裡也沒底,要知道2017年之前,雷射雷達都是被當做「瓷娃娃」擺在實驗室裡的,要想走出實驗室到「一帶一路」去,這裡面涉及研發、工程、溝通多方面的問題。

「我很佩服黃忠偉老師,他膽子大、想法創新,要不是他嘗試,一開始雷達連實驗室都走不出去。」李武仁說。

雷射雷達屬於精密的光學儀器,對電力、網絡和環境溫度的穩定都有很高的要求,不滿足要求的話一臺價格百萬元人民幣的雷射雷達就可能面臨報廢的風險。

當團隊成員對雷射雷達走出實驗室都心存顧慮時,黃忠偉主張,只有把雷射雷達布出去,我們才能發現問題,解決問題。製造裝配式雷射雷達———讓雷達「進箱子、走出去」的方向才正式確定了下來。

在零下20攝氏度的烏魯木齊環保局樓頂上,黃忠偉團隊一起守著第一個布出去的雷達20多天。這次經歷為他們日後研究裝配式雷射雷達提升保溫性能、加裝續航電池、安裝停電報警系統,進而提升它對外界環境的適應力積累了經驗、打下了基礎。

解決了雷射雷達走出去的問題,下一步就是如何讓它走得遠了。

在黃忠偉辦公室牆上貼著一張「一帶一路」雷射雷達觀測網的全景地圖,它東起蘭州,西至阿爾及利亞,共14個站點,跨越直線距離8000多公裡,可獲得全球乾旱半乾旱區的大氣監測整體數據。用紅旗標註著已建成的站點,黃旗標註的是將要建設的站點。每個雷達站根據觀測需求,分別設置了單波段、多波段、有無螢光等不同功能組合的雷射雷達,此外還配有多通道微波輻射儀、太陽-天空-月亮光度計和顆粒物在線監測儀等其它氣象觀測儀器,綜合利用解析度成像光譜儀(MODIS)、雲-氣溶膠雷射雷達與紅外探路者衛星觀測(CALIPSO)、雲 探 測 衛 星(CLOUDsat)、風雲四號等衛星遙感觀測。

圖|「一帶一路」雷射雷達觀測網的擬布置站點分布

「『一帶一路』雷射雷達觀測網的建設具有科學研究、人才培養、國際合作這幾方面價值。」黃忠偉說。通過部署雷射雷達觀測網可以追蹤「一帶一路」沿線大氣中沙塵的來源,分析高空中沙塵的走勢,有利於更加了解我國沙塵天氣的成因。近年來,利用雷射雷達觀測的數據,黃忠偉團隊在國際國內期刊發表了《氣溶膠運動中亞洲沙塵輸運路徑上大氣生物氣溶膠的特徵研究》《亞洲沙塵直接運往北極的捷徑路徑:一個案例研究》等相關應用成果。截至2020年9月,參與雷射雷達智造項目畢業的本科生、碩士、博士研究生已達30人,他們畢業後還在從事與大氣汙染監測相關方面的研究。

中方提供雷射雷達和相關檢測設備,「一帶一路」國家提供場地環境,雙方加強國際合作。「2019年我們還前後邀請了塔吉克斯坦科學院烏馬羅夫物理技術研究所、巴基斯坦白沙瓦大學的5個青年專家來校訪問,培訓他們,回國之後他們也會對『一帶一路』雷達站進行設備的維護。」黃忠偉說,「巴基斯坦白沙瓦大學還計劃建立一個大氣科學學院,希望我們這邊提供師資進行授課。」

幾乎每個夜晚,蘭州大學城關校區12號學生公寓附近,幾個白色鐵皮箱發出道道綠光,鐵皮箱上寫著———拉曼偏振雷射雷達。過不了多久,這些白色鐵皮箱將會搭乘中歐班列,前往塔吉克斯坦和巴基斯坦。未來,更多的雷射雷達將通過裝配運輸的方式被送往「一帶一路」沿線國家。一帶一路,點點綠光,串聯起來,編織成一張跨越上萬公裡的雷射雷達觀測網。通過國際合作,共同開展對大氣成分的監測、研究。

圖|蘭州大學城關校區裝有雷達的白色觀測箱發出的雷射

黃建平團隊在不斷提升雷射雷達探測功能、反演算法精度、做好應用開發的同時,現已著手將「一帶一路」雷射雷達觀測網收集到的數據通過網絡平臺予以公開,實現數據共享,希望更多人參與進來,為相關研究打開一扇更廣闊的大門。

內容來源 | 《蘭州大學報》總第974期

文字 | 許文豔 李暉

編輯 | 楊舒婷

責任編輯 | 張田甜

主編 | 肖坤

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