許文艷 李暉

2020年10月，由蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院黃建平教授、黃忠偉教授領(lǐng)銜的雷達(dá)智造團(tuán)隊(duì)建設(shè)的“一帶一路”激光雷達(dá)網(wǎng)若羌站揭牌，標(biāo)志著該雷達(dá)觀測網(wǎng)國內(nèi)段7個(gè)站全部建成。將來在國外將布置若干站，這些雷達(dá)站均以蘭州大學(xué)自主研發(fā)的多波段拉曼偏振激光雷達(dá)為主要監(jiān)測儀器。

團(tuán)隊(duì)構(gòu)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(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警，可服務(wù)鐵路和物流運(yùn)輸，還將在全球氣候變化研究等領(lǐng)域發(fā)揮積極作用。

蘭州大學(xué)雷達(dá)智造團(tuán)隊(duì)的激光雷達(dá)研發(fā)之路已經(jīng)走過了14個(gè)年頭。這個(gè)14年的激光雷達(dá)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(duì)話

“你了解激光雷達(dá)嗎？”

“你以后有信心造出來嗎？”

2006年的秋天，在蘭州大學(xué)跨專業(yè)保研面試現(xiàn)場，大氣科學(xué)學(xué)院黃建平教授這樣問黃忠偉，當(dāng)時(shí)黃忠偉在物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院讀大四。

激光雷達(dá)能夠收集到距地表幾十公里范圍內(nèi)大氣中的污染物、水汽和云的分布情況的觀測數(shù)據(jù)。當(dāng)時(shí)激光雷達(dá)從國外進(jìn)口，不僅造價(jià)昂貴，而且它們還很難適應(yīng)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(dá)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(dá)。

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(xué)生一樣，準(zhǔn)備前往城關(guān)校區(qū)完成畢業(yè)論文。此時(shí)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(dāng)年剛剛建成的蘭州大學(xué)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(dá)，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(tái)激光雷達(dá)的價(jià)格。這臺(tái)架在萃英山頂?shù)募す饫走_(dá)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(xué)大氣的同學(xué)，他們都不敢拆這么貴的一臺(tái)機(jī)器。我本科是物理專業(yè)，四年都在做力、熱、光、電的實(shí)驗(yàn)，凡是儀器壞了都習(xí)慣拆開看看。拆了真不一樣，學(xué)到了不少東西?！秉S忠偉說。

2009年秋，在黃建平教授的協(xié)調(diào)幫助下，黃忠偉前往日本東北大學(xué)進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)。他此行的目標(biāo)很明確，就是要把激光雷達(dá)技術(shù)學(xué)到手。在日本，黃忠偉不僅學(xué)習(xí)到了激光雷達(dá)技術(shù)，還掌握了額外的一項(xiàng)“超能力”——熒光多波段測量。

“還記得在日本期間，我凌晨5點(diǎn)還在空無一人的實(shí)驗(yàn)室里測量熒光，只能聽見窗外烏鴉的叫聲?！睉{借不懈努力，黃忠偉和導(dǎo)師終于在2014年成功研制出了屬于我國的第一臺(tái)多波段拉曼-熒光激光雷達(dá)。

“韜光”，改進(jìn)硬件技術(shù)

2011年，黃忠偉學(xué)成回國，在蘭州大學(xué)組建了激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室。2014年1月，在這個(gè)小小的兩間總面積不到40平方米的“雷達(dá)加工車間”誕生了我國第一臺(tái)多波段拉曼-熒光激光雷達(dá)，并成為生產(chǎn)其他雷達(dá)的參考標(biāo)準(zhǔn)。6年間，他們先后制造了14臺(tái)激光雷達(dá)。如今，在蘭州大學(xué)激光雷達(dá)大氣遙感實(shí)驗(yàn)室里，擺放著的兩個(gè)大小不一的“黑箱子”就是第二代多波段拉曼-熒光激光雷達(dá)。

激光雷達(dá)由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)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(jī)再把從目標(biāo)反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。

“每臺(tái)雷達(dá)就像一個(gè)baby一樣，制造出來很不容易，從最開始用SolidWorks軟件畫圖設(shè)計(jì)，到對(duì)一個(gè)個(gè)零配件進(jìn)行組裝、調(diào)試，都是我們一步一步親手做的。”黃忠偉說。

在多波段拉曼-熒光激光雷達(dá)被研制出來之前，市場上已經(jīng)有了多波段激光雷達(dá)、拉曼激光雷達(dá)和熒光激光雷達(dá)，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(fù)試驗(yàn)才能得到最優(yōu)組合的多波段拉曼-熒光激光雷達(dá)，真正實(shí)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(zhì)的總稱）全熒光光譜的精細(xì)探測。

如果把單波段激光雷達(dá)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(dá)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(cè)面，測出的大氣數(shù)據(jù)更加全面、立體、精準(zhǔn)。

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(jī)物懸浮?！岸嗖ǘ巍奔由稀盁晒狻钡募映?，能看到20公里以外的細(xì)菌病毒！

如果將硬件技術(shù)比作雷達(dá)的軀干，反演算法則是雷達(dá)的大腦。好的硬件提供優(yōu)質(zhì)的信號(hào)，好的算法計(jì)算出精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，二者相輔相成?；诩す饫走_(dá)的高精度反演算法是黃忠偉團(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)，又有算法開發(fā)，還有后期的應(yīng)用，我們整個(gè)研發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)峭暾?。”黃忠偉說。

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

14年里，黃忠偉團(tuán)隊(duì)在數(shù)據(jù)采集控制軟件、雷達(dá)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)等方面，研發(fā)了6項(xiàng)國際、國內(nèi)發(fā)明專利，以及4項(xiàng)計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)。

“聚光”，布局“一帶一路”雷達(dá)觀測網(wǎng)

2017年，這是黃忠偉和黃建平的又一場對(duì)談，距離上次保研考核已經(jīng)過去了10多年。

“‘一帶一路激光雷達(dá)網(wǎng)，你敢不敢建？”黃建平問。

黃忠偉說：“咱就做唄，就是多加點(diǎn)班。”其實(shí)當(dāng)時(shí)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(dá)都是被當(dāng)做“瓷娃娃”擺在實(shí)驗(yàn)室里的，要想走出實(shí)驗(yàn)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(dá)屬于精密的光學(xué)儀器，對(duì)電力、網(wǎng)絡(luò)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(tái)價(jià)值百萬元人民幣的激光雷達(dá)就可能面臨報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)團(tuán)隊(duì)成員對(duì)激光雷達(dá)走出實(shí)驗(yàn)室還心存顧慮時(shí)，黃忠偉主張，只有把激光雷達(dá)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(dá)——讓雷達(dá)“進(jìn)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(tuán)隊(duì)一起守著第一個(gè)布出去的雷達(dá)20多天。這次經(jīng)歷為他們?nèi)蘸笱芯垦b配式激光雷達(dá)提升保溫性能、加裝續(xù)航電池、安裝停電報(bào)警系統(tǒng)，進(jìn)而提升它對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)力積累了經(jīng)驗(yàn)、打下了基礎(chǔ)。

、解決了激光雷達(dá)走出去的問題，下一步就是如何讓它走得遠(yuǎn)了。

在黃忠偉辦公室墻上貼著一張“一帶一路”激光雷達(dá)觀測網(wǎng)的全景地圖，它東起蘭州，西至阿爾及利亞，共14個(gè)站點(diǎn)，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(biāo)注著已建成的站點(diǎn)，黃旗標(biāo)注的是將要建設(shè)的站點(diǎn)。每個(gè)雷達(dá)站根據(jù)觀測需求，分別設(shè)置了單波段、多波段、有無熒光等不同功能組合的激光雷達(dá)。

“‘一帶一路激光雷達(dá)觀測網(wǎng)的建設(shè)具有科學(xué)研究、人才培養(yǎng)、國際合作這幾方面價(jià)值?！秉S忠偉說。通過部署激光雷達(dá)觀測網(wǎng)，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(dá)智造項(xiàng)目畢業(yè)的本科生、碩士、博士研究生已達(dá)30人，他們畢業(yè)后還在從事與大氣污染監(jiān)測相關(guān)方面的研究。

中方提供激光雷達(dá)和相關(guān)檢測設(shè)備，“一帶一路”國家提供場地環(huán)境，雙方加強(qiáng)國際合作?！?019年我們還前后邀請(qǐng)了塔吉克斯坦科學(xué)院烏馬羅夫物理技術(shù)研究所、巴基斯坦白沙瓦大學(xué)的5個(gè)青年專家來校訪問，對(duì)他們進(jìn)行培訓(xùn)，回國之后他們也可以對(duì)‘一帶一路雷達(dá)站進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)了?！秉S忠偉說，“巴基斯坦白沙瓦大學(xué)還計(jì)劃建立一個(gè)大氣科學(xué)學(xué)院，希望我們這邊提供師資進(jìn)行授課?！?/p>

幾乎每個(gè)夜晚，蘭州大學(xué)城關(guān)校區(qū)12號(hào)學(xué)生公寓附近，幾個(gè)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(dá)。過不了多久，這些白色鐵皮箱將會(huì)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(dá)將通過裝配運(yùn)輸?shù)姆绞奖凰屯耙粠б宦贰毖鼐€國家。一帶一路，點(diǎn)點(diǎn)綠光，串聯(lián)起來，編織成一張跨越上萬公里的激光雷達(dá)觀測網(wǎng)。通過國際合作，共同開展對(duì)大氣成分的監(jiān)測、研究。

黃建平團(tuán)隊(duì)在不斷提升激光雷達(dá)探測功能、反演算法精度、做好應(yīng)用開發(fā)的同時(shí)，現(xiàn)已著手將“一帶一路”激光雷達(dá)觀測網(wǎng)收集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)予以公開，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，希望更多人參與進(jìn)來，為相關(guān)研究打開一扇更廣闊的大門。