記者從南信大了解到，南京信息工程大學在多普勒激光雷達領(lǐng)域又有新突破。該校大氣物理學院教授夏海云研制的30千米全天候非視域多功能激光雷達，在降雨、大霧等惡劣天氣，或是遇到建筑物阻擋等情況下也可實現(xiàn)精準探測。相關(guān)研究成果于近期在國際著名雜志《遙感》《光學快訊》上發(fā)表。

30千米全天候非視域多功能激光雷達

風雨無阻，惡劣天氣下也能正常探測

夏海云教授介紹，激光雷達作為新的大氣遙感手段正在蓬勃發(fā)展，精準的大氣物理、化學、生物參數(shù)探測，對于數(shù)值天氣預報、氣候模型改進、軍事環(huán)境預報、大氣污染監(jiān)測、生化氣體監(jiān)控、機場風切變預警等具有重大意義。團隊聚焦激光雷達研發(fā)，尤其是提出高量子效率、低噪聲、全光纖集成紅外激光雷達方案，探索開辟出激光雷達發(fā)展的新方向。

此前，在2022年，夏海云就曾帶領(lǐng)團隊自主研發(fā)、具有國際領(lǐng)先水平的多大氣參數(shù)探測激光雷達，并在我國西南地區(qū)，氣象條件最為復雜的昆明長水國際機場部署應用。該雷達利用極限靈敏度探測技術(shù)對飛機起降區(qū)間進行全時全域掃描探測，是世界水平探測距離最遠的（30km）相干探測體制測風激光雷達，能夠精準探測并預警風切變、微下?lián)舯┝鳌㈨橈L側(cè)風等干擾飛機飛行安全的危險天氣狀況，為飛機安全起降保駕護航。

降雨條件下形成和微波雷達探測互補

這一次，夏海云團隊的技術(shù)再次升級，讓雷達在降雨、大霧等惡劣天氣下也能實現(xiàn)遠距離、多大氣參數(shù)激光雷達遙感。特別是在激光光束在被低空障礙物阻擋的情況下，實現(xiàn)全域風場的重建。“舉個例子，下雨天氣，雨水會阻擋我們的視線。同樣受阻的還有雷達。傳統(tǒng)測風激光雷達由于探測能力有限，難以適應各種復雜惡劣天氣條件下的風場探測。我們通過江蘇菲沃泰納米科技股份有限公司研制的納米結(jié)構(gòu)技術(shù)，在玻璃上做了一個疏水疏油的材料，讓油污、水滴不會積在鏡片上，激光能夠順利打出去。這樣能更好地滿足各種條件下的探測業(yè)務需求。”夏海云說。

已在多個機場投入使用，為低空經(jīng)濟提供氣象保障

據(jù)悉，該雷達已經(jīng)在昆明長水機場、廣州白云機場投入使用。在云南昆明長水機場連續(xù)9個月的觀測統(tǒng)計結(jié)果顯示：在降雨條件下，激光雷達10千米以上的探測概率達到了92.79%，有效覆蓋了機場跑道。在實際驗證中，該激光雷達可以捕捉到對流天氣產(chǎn)生的輻合和輻散氣流。微波雷達可以探測強降雨區(qū)域，距離分辨率為1km；而激光雷達可以實現(xiàn)強降雨外區(qū)域探測，距離分辨率30-150米，風切變時空分布和演變過程清晰可見。通過垂直廓線探測揭示了機場降水和風切變形成的機制，為航空氣象極端事件預報奠定了基礎(chǔ)。

視域阻擋情況下的全域風場重建

值得一提的是，無論是在城市的高樓大廈之間，還是在崎嶇的自然地形中，即使在激光“看不見”、“照不到”的情況下，該雷達也可以借助人工智能技術(shù)建立風場反演模型，準確提供全域的高時空分辨率探測數(shù)據(jù)。

例如，在外場實驗中，廣州白云機場由于機場塔臺、航站樓和圍欄等低空建筑物的遮擋，導致跑道缺乏完整的水平風場探測數(shù)據(jù)。基于深度學習方法，在6個月連續(xù)觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了非視域風場重建模型，實現(xiàn)了全域風場的重建，誤差優(yōu)于0.85m/s。這項工作具有普適的應用場景：比如無論是在城市的高樓大廈之間，還是在崎嶇的自然地形中，激光雷達都能準確提供高時空分辨率全域風場情況，為低空經(jīng)濟提供實時精準的氣象保障。

水平探測距離未來還將升級，打破該領(lǐng)域國外技術(shù)壟斷

團隊打破常規(guī)，徹底顛覆了傳統(tǒng)激光雷達技術(shù)工藝——“我們不再單純依賴提高激光功率或者增大望遠鏡面積的傳統(tǒng)辦法，而是通過提高光量子探測效率和系統(tǒng)的光學效率，來大幅提升激光雷達探測性能。”夏海云介紹，這項技術(shù)完全自主研發(fā)，高性能紅外探測器、全光纖激光器和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡等核心部件均實現(xiàn)自主研制、自主可控，完全國產(chǎn)化，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。在與日本三菱、美國洛克希德馬丁等國際同類型雷達對比測試中，團隊研制的多大氣參數(shù)探測激光雷達無論在風切變、湍流、順風預警等功能上，還是在時空分辨率、重量功耗等性能參數(shù)上以及探測參數(shù)多樣性上都超越了國際同類產(chǎn)品，成功打破該領(lǐng)域國外技術(shù)的壟斷，解決了長期被發(fā)達國家制約的“卡脖子”問題。

實習生 張亦寧

揚子晚報/紫牛新聞 楊甜子

校對 盛媛媛