追光 韜光 聚光

許文艷 李暉

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”激光雷達網若羌站揭牌，標志著該雷達觀測網國內段7個站全部建成。將來在國外將布置若干站，這些雷達站均以蘭州大學自主研發(fā)的多波段拉曼偏振激光雷達為主要監(jiān)測儀器。

團隊構建的立體觀測體系，可為“一帶一路”沿線國家和地區(qū)提供高精度、高分辨率的氣象災害預報預警，可服務鐵路和物流運輸，還將在全球氣候變化研究等領域發(fā)揮積極作用。

蘭州大學雷達智造團隊的激光雷達研發(fā)之路已經走過了14個年頭。這個14年的激光雷達研發(fā)故事，要從一場跨專業(yè)保研說起。

“追光”，萃英山下的對話

“你了解激光雷達嗎？”

“你以后有信心造出來嗎？”

2006年的秋天，在蘭州大學跨專業(yè)保研面試現(xiàn)場，大氣科學學院黃建平教授這樣問黃忠偉，當時黃忠偉在物理科學與技術學院讀大四。

激光雷達能夠收集到距地表幾十公里范圍內大氣中的污染物、水汽和云的分布情況的觀測數(shù)據(jù)。當時激光雷達從國外進口，不僅造價昂貴，而且它們還很難適應氣候干、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，這些“水土不服”的雷達常常不能正常使用。所以蘭大人夢想著造出自己的激光雷達。

保研通過后，黃忠偉收拾好自己的行李，像其他保研本校的學生一樣，準備前往城關校區(qū)完成畢業(yè)論文。此時他接到黃建平教授的電話：“你不要到市區(qū)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干旱氣候與環(huán)境觀測站。就是在這里，黃忠偉第一次接觸到了激光雷達，還把它拆了。

150萬元人民幣，這是2006年初蘭大從美國購買一臺激光雷達的價格。這臺架在萃英山頂?shù)募す饫走_出現(xiàn)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，他們都不敢拆這么貴的一臺機器。我本科是物理專業(yè)，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。拆了真不一樣，學到了不少東西?！秉S忠偉說。

2009年秋，在黃建平教授的協(xié)調幫助下，黃忠偉前往日本東北大學進行聯(lián)合培養(yǎng)。他此行的目標很明確，就是要把激光雷達技術學到手。在日本，黃忠偉不僅學習到了激光雷達技術，還掌握了額外的一項“超能力”——熒光多波段測量。

“還記得在日本期間，我凌晨5點還在空無一人的實驗室里測量熒光，只能聽見窗外烏鴉的叫聲。”憑借不懈努力，黃忠偉和導師終于在2014年成功研制出了屬于我國的第一臺多波段拉曼-熒光激光雷達。

“韜光”，改進硬件技術

2011年，黃忠偉學成回國，在蘭州大學組建了激光雷達實驗室。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-熒光激光雷達，并成為生產其他雷達的參考標準。6年間，他們先后制造了14臺激光雷達。如今，在蘭州大學激光雷達大氣遙感實驗室里，擺放著的兩個大小不一的“黑箱子”就是第二代多波段拉曼-熒光激光雷達。

激光雷達由激光發(fā)射機、光學接收機、轉臺和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將光脈沖發(fā)射出去，光接收機再把從目標反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。

“每臺雷達就像一個baby一樣，制造出來很不容易，從最開始用SolidWorks軟件畫圖設計，到對一個個零配件進行組裝、調試，都是我們一步一步親手做的?！秉S忠偉說。

在多波段拉曼-熒光激光雷達被研制出來之前，市場上已經有了多波段激光雷達、拉曼激光雷達和熒光激光雷達，但真正把“多波段”“拉曼”“熒光”這些不同元素組合在一起并非像“1+1+1=3”這樣簡單，而是需要克服它們之間相互干擾的因素，反復試驗才能得到最優(yōu)組合的多波段拉曼-熒光激光雷達，真正實現(xiàn)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(tài)和液態(tài)顆粒狀物質的總稱）全熒光光譜的精細探測。

如果把單波段激光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，多波段激光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(shù)據(jù)更加全面、立體、精準。

黃建平教授介紹，“熒光”是大氣中懸浮的“粒子”釋放出來的，它不光是沙塵，還有微生物或有機物懸浮。“多波段”加上“熒光”的加持，能看到20公里以外的細菌病毒！

如果將硬件技術比作雷達的軀干，反演算法則是雷達的大腦。好的硬件提供優(yōu)質的信號，好的算法計算出精準的數(shù)據(jù)，二者相輔相成?；诩す饫走_的高精度反演算法是黃忠偉團隊的又一核心成果。

“發(fā)光”，用于大氣遙感與環(huán)境監(jiān)測研究

“既有硬件設計，又有算法開發(fā)，還有后期的應用，我們整個研發(fā)產業(yè)鏈是完整的?！秉S忠偉說。

黃忠偉團隊制造的激光雷達，不僅可用于大氣霧霾探測的研究及預警，還可用于衛(wèi)星數(shù)據(jù)校正、氣象觀測、氣象干預等領域，例如雷達收集到的關于云層的信號可轉化為云層的數(shù)據(jù)，供氣象部門人工降雨時參考?！叭斯そ涤晷枰酶呱渑谕茖永锎虼呋瘎?，什么時候打、打多少、怎么打，都需要數(shù)據(jù)提供精確指導?！秉S忠偉教授說。

14年里，黃忠偉團隊在數(shù)據(jù)采集控制軟件、雷達控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)等方面，研發(fā)了6項國際、國內發(fā)明專利，以及4項計算機軟件著作權。

“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10多年。

“‘一帶一路激光雷達網，你敢不敢建？”黃建平問。

黃忠偉說：“咱就做唄，就是多加點班?！逼鋵嵁敃r剛博士畢業(yè)5年的黃忠偉心里也沒底，要知道2017年之前，激光雷達都是被當做“瓷娃娃”擺在實驗室里的，要想走出實驗室到“一帶一路”去，這里面涉及研發(fā)、工程、溝通多方面的問題。

激光雷達屬于精密的光學儀器，對電力、網絡和環(huán)境溫度的穩(wěn)定都有很高的要求，不滿足要求的話，一臺價值百萬元人民幣的激光雷達就可能面臨報廢的風險。

當團隊成員對激光雷達走出實驗室還心存顧慮時，黃忠偉主張，只有把激光雷達布出去，我們才能發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。制造裝配式激光雷達——讓雷達“進箱子、走出去”的方向才正式確定了下來。

在零下2 0℃的烏魯木齊環(huán)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。這次經歷為他們日后研究裝配式激光雷達提升保溫性能、加裝續(xù)航電池、安裝停電報警系統(tǒng)，進而提升它對外界環(huán)境的適應力積累了經驗、打下了基礎。

、解決了激光雷達走出去的問題，下一步就是如何讓它走得遠了。

在黃忠偉辦公室墻上貼著一張“一帶一路”激光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多公里，可獲得全球干旱半干旱區(qū)的大氣監(jiān)測整體數(shù)據(jù)。用紅旗標注著已建成的站點，黃旗標注的是將要建設的站點。每個雷達站根據(jù)觀測需求，分別設置了單波段、多波段、有無熒光等不同功能組合的激光雷達。

“‘一帶一路激光雷達觀測網的建設具有科學研究、人才培養(yǎng)、國際合作這幾方面價值?！秉S忠偉說。通過部署激光雷達觀測網，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，有利于更加了解我國沙塵天氣的成因。

截至2020年9月，參與激光雷達智造項目畢業(yè)的本科生、碩士、博士研究生已達30人，他們畢業(yè)后還在從事與大氣污染監(jiān)測相關方面的研究。

中方提供激光雷達和相關檢測設備，“一帶一路”國家提供場地環(huán)境，雙方加強國際合作。“2019年我們還前后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，對他們進行培訓，回國之后他們也可以對‘一帶一路雷達站進行設備的維護了。”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(qū)12號學生公寓附近，幾個白色鐵皮箱發(fā)出道道綠光，鐵皮箱上寫著——拉曼偏振激光雷達。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，更多的激光雷達將通過裝配運輸?shù)姆绞奖凰屯耙粠б宦贰毖鼐€國家。一帶一路，點點綠光，串聯(lián)起來，編織成一張跨越上萬公里的激光雷達觀測網。通過國際合作，共同開展對大氣成分的監(jiān)測、研究。

黃建平團隊在不斷提升激光雷達探測功能、反演算法精度、做好應用開發(fā)的同時，現(xiàn)已著手將“一帶一路”激光雷達觀測網收集到的數(shù)據(jù)通過網絡平臺予以公開，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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。