作者:温才妃 许文艳 李晖 来源:中国科学报 发布时间:2021/2/9 12:08:34
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勇拆雷达的“追光”人

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黄忠伟团队在兰州大学观云楼讨论设计方案并组装雷达。

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兰州大学城关校区装有雷达的白色观测箱发出的激光。

“你了解激光雷达吗?”

“你以后有信心造出来吗?”

2006年秋天,在兰州大学跨专业保研考核的现场,2003级兰大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。他对面坐着的是该校大气科学学院教授黄建平。

问及当初为何从物理学院选择学生时,黄建平解释:“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。”

近日,由黄建平、黄忠伟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,这标志着该雷达观测网国内段7个站已全部建成。而此时,黄忠伟的身份早已从兰大研究生变为兰大教授。

拿着螺丝刀,就把150万元的雷达拆了

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,这些高精度仪器很难适应气候干、温差大、颗粒物浓度高的西北地区干旱半干旱气候条件,常常显现出水土不服的情况,以致不能正常使用。

“之前了解的都是军事雷达,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建成的兰州大学半干旱气候与环境观测站。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。

“黄老师见了,说我胆子真大。周围都是本科学大气的同学,他们都不敢拆这么贵的机器。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。拆了还真不一样,学到了不少东西。”黄忠伟说。

2009年秋,在黄建平的协调帮助下,黄忠伟前往日本东北大学接受联合培养。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,只听见窗外乌鸦的叫声。”

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,并成为生产其他雷达的参考标准。

有硬件设计、算法开发,还有后期应用

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。

“每台雷达就像一个小婴儿一样,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至3个方案,哪怕是一个小小的镜架设计都要开会讨论。他细心谨慎,常常从多角度考虑问题。”团队科研助理李武仁说。

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,让人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。

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。但是,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,反复试验才能选出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全荧光光谱的精细探测。

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。

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,从日本学成归国后,黄忠伟和团队成员还一直致力于新反演算法的研发。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。

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

他们制造的激光雷达主要用于大气遥感与环境监测研究,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。甘肃省生态环境厅向他们购买了3台激光雷达,用于沙尘暴、雾霾的监测。

黄忠伟补充道,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……

“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次对谈,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。

“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年前,激光雷达都是被当作“瓷娃娃”摆在实验室里,要想走出实验室到“一带一路”去,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,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,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了保温性能、加装了续航电池、安装了停电报警系统,进而为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更远了。

在黄忠伟办公室的墙上,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。红旗标注的是已建成的站点,黄旗标注的是将要建设的站点。

“‘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。

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年我们还先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。”

如今,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。

 
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