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深度解讀

竇賢康院士:用量子激光雷達(dá)解決中高層大氣探測(cè)難題

星之球科技 來源:澎湃新聞2021-10-27 我要評(píng)論(0 )   

中國(guó)科學(xué)院院士、武漢大學(xué)校長(zhǎng)竇賢康對(duì)于空間天氣研究和預(yù)報(bào)有重要意義的中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)一直以來都面臨困境——無法使用探空氣球或衛(wèi)星進(jìn)行探測(cè)。不過,中國(guó)科學(xué)院...

中國(guó)科學(xué)院院士、武漢大學(xué)校長(zhǎng)竇賢康

中國(guó)科學(xué)院院士、武漢大學(xué)校長(zhǎng)竇賢康

對(duì)于空間天氣研究和預(yù)報(bào)有重要意義的中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)一直以來都面臨困境——無法使用探空氣球或衛(wèi)星進(jìn)行探測(cè)。不過,中國(guó)科學(xué)院院士、武漢大學(xué)校長(zhǎng)竇賢康創(chuàng)新研發(fā)的量子激光雷達(dá)對(duì)此提供了有效解決方案。
近日,竇賢康在北京舉行地“雁棲湖會(huì)議”上進(jìn)行《量子探測(cè)技術(shù)在大氣探測(cè)激光雷達(dá)中的應(yīng)用》主題演講,就相關(guān)研究進(jìn)行具體介紹。
“雁棲湖會(huì)議”是中國(guó)科學(xué)院與北京市合作舉辦的高端國(guó)際學(xué)術(shù)交流活動(dòng),至今已舉辦四屆。今年會(huì)議以“量子科學(xué)與技術(shù)前沿”為主題,聚焦量子科技領(lǐng)域的前沿重點(diǎn)問題,前瞻探討量子科技未來發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)、方向和任務(wù)。
竇賢康長(zhǎng)期從事中高層大氣理論、觀測(cè)與實(shí)驗(yàn)綜合研究,獨(dú)立自主研制了系列激光雷達(dá)觀測(cè)系統(tǒng),車載測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的空白,技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平;國(guó)際上首次研制成功基于單光子頻率上轉(zhuǎn)化技術(shù)的量子激光雷達(dá);并基于在觀測(cè)設(shè)備上的開拓性工作,在中層頂區(qū)域大氣動(dòng)力學(xué)和光化學(xué)等領(lǐng)域的研究取得了系統(tǒng)性和創(chuàng)新性成果。
過去,中高層大氣探測(cè)是比較大的難題
“空間物理研究的領(lǐng)域是太陽表面與地球表面之間的空間?!备]賢康介紹道,按照高度范圍可分為中高層大氣、熱層和電離層、磁層、行星際空間。其中,中高層大氣(十幾公里到一兩百公里)是地球中性大氣向空間等離子體過渡關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。
日常生活我們遇到的雨、雪等天氣現(xiàn)象都發(fā)生十公里以下大氣中,為對(duì)流層;十至五十公里的大氣以水平流動(dòng)為主,為平流層;五十至九十公里的大氣被稱為中間層;九十公里高度以上是熱層大氣。平流層、中間層以及低熱層大氣構(gòu)成了中高層大氣的主要區(qū)域。
為什么要研究中高層大氣?竇賢康舉出一個(gè)例子,“對(duì)流層大氣的密度變化幅度相對(duì)較小,雖然晴天雨天天氣條件不同,但大氣密度變化幅度往往僅在1%左右。相比較而言,中高層大氣由于密度非常稀薄,很容易受到太陽爆發(fā)事件等擾動(dòng)的影響產(chǎn)生劇烈變化。衛(wèi)星軌道會(huì)受到密度變化的影響,如果無法準(zhǔn)確觀測(cè)和預(yù)測(cè)高空大氣密度,衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)就會(huì)非常困難。”
然而,由于缺乏觀測(cè)手段,中高層大氣的研究還不夠充分??臻g物理傳統(tǒng)上主要關(guān)注電離層以上(高于一百公里),大氣科學(xué)主要聚焦平流層以下(低于三十公里)。在三十到一百公里高度的中高層大氣既無法利用衛(wèi)星進(jìn)行直接探測(cè),也無法使用探空氣球進(jìn)行探測(cè)。
“對(duì)于對(duì)流層高度大氣,我們可以使用氣象雷達(dá)和探空氣球來探測(cè)。在更高高度(熱層和電離層、磁層、行星際等),我們可以使用衛(wèi)星探測(cè)。但是,三十公里到一百公里高度的中高層大氣,主要以大氣分子為主,散射物很少,是探空氣球上不去、衛(wèi)星觀測(cè)下不來的探測(cè)盲區(qū)?!备]賢康指出,雖然發(fā)射攜帶探測(cè)儀器的探空火箭可以探測(cè)這部分空間,但探空火箭是單次測(cè)量,且探測(cè)成本高昂,無法做到長(zhǎng)期觀測(cè)。因此,探測(cè)中高層大氣需要?jiǎng)?chuàng)新觀測(cè)手段。
激光雷達(dá)是中高層大氣探測(cè)的主要手段
激光雷達(dá)是中高層大氣探測(cè)的主要手段,能夠覆蓋從近地面到一百公里的中高層大氣。雷達(dá)利用目標(biāo)對(duì)電磁波的散射過程來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并獲得其特征信息。三十公里到一百公里高度中高層大氣的主體是純凈的大氣分子,其尺度與激光波長(zhǎng)相當(dāng),可以用激光與大氣分子的相互作用對(duì)中高層大氣進(jìn)行探測(cè)。
激光雷達(dá)探測(cè)中高層大氣的主要參數(shù)包括大氣密度、溫度和風(fēng)場(chǎng)。其中,風(fēng)場(chǎng)是中高層大氣最重要的動(dòng)力學(xué)參數(shù),是中高層大氣全球環(huán)流的直接體現(xiàn),也是中高層大氣最難測(cè)的參數(shù)。精確的大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣候模型改進(jìn)、生化氣體監(jiān)控、機(jī)場(chǎng)風(fēng)切變預(yù)警等具有重大意義。
竇賢康介紹風(fēng)場(chǎng)測(cè)量的難度。如前所述,中高層大氣主要以大氣分子為主。由于大氣分子本身的熱運(yùn)動(dòng),我們發(fā)射一束激光被大氣分子散射,散射激光頻譜會(huì)產(chǎn)生展寬。如果大氣分子隨風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng),這個(gè)展寬的光譜就會(huì)產(chǎn)生頻移。對(duì)這個(gè)頻移量的精確測(cè)量可以估計(jì)大氣的風(fēng)速。對(duì)頻移測(cè)量的主要技術(shù)難點(diǎn)是散射激光光譜展寬大、風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生頻移量小以及被散射激光信號(hào)微弱。
國(guó)際上以及竇賢康團(tuán)隊(duì)都在研究的一種解決方案是,使用“雙邊緣技術(shù)”檢測(cè)微小激光頻移,通過光學(xué)鑒頻器將微弱光信號(hào)的頻移轉(zhuǎn)化為信號(hào)強(qiáng)度的相對(duì)變化?!斑@個(gè)用處很大,可以有效探測(cè)高空的風(fēng)場(chǎng)?!?br/>創(chuàng)新性利用量子探測(cè)技術(shù)提高激光雷達(dá)性能
實(shí)際上,全球風(fēng)場(chǎng)測(cè)量還面臨以下挑戰(zhàn):在激光功率、望遠(yuǎn)鏡面積受限的條件下,大幅度提高探測(cè)信噪比;在基地、氣象站等人員密集場(chǎng)所保障人眼安全;在機(jī)載、星載平臺(tái),克服強(qiáng)振動(dòng)、溫差大等環(huán)境的干擾。
“激光雷達(dá)的性能提升中有兩個(gè)因素,一個(gè)是接收散射光子的望遠(yuǎn)鏡口徑,一個(gè)是激光能量。由于高空大氣分子散射信號(hào)很弱,要提升激光雷達(dá)的性能,一方面要增大望遠(yuǎn)鏡的口徑(面積),這就導(dǎo)致激光雷達(dá)尺度很大,造價(jià)很高,不利于在衛(wèi)星平臺(tái)工作;另一方要提升激光器能量,這會(huì)導(dǎo)致高功率激光燒壞光學(xué)鏡片等問題,這是星載激光雷達(dá)所面臨的技術(shù)難題?!备]賢康指出,除此以外,激光雷達(dá)還面臨另一個(gè)問題:白天由于陽光影響,可見光波段的激光雷達(dá)信號(hào)往往很差或者無法工作。
因此,他們創(chuàng)新思路,與潘建偉院士團(tuán)隊(duì)張強(qiáng)等人合作,利用光量子探測(cè)技術(shù),通過提高激光雷達(dá)探測(cè)的量子效率來提高激光雷達(dá)信噪比,而不需要增加激光能量或者望遠(yuǎn)鏡口徑。
“過去,我們使用紅外激光進(jìn)行大氣探測(cè),紅外激光好處是大氣穿透性較強(qiáng),受陽光影響小。但激光雷達(dá)對(duì)于大氣散射的紅外光子探測(cè)效率比較低。所以,我們和潘建偉院士團(tuán)隊(duì)合作,利用單光子頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù),把大氣散射回來的紅外激光光子轉(zhuǎn)換成863納米的可見光光子,使用探測(cè)效率更高的硅探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。這樣,可以有效提升激光雷達(dá)探測(cè)效率和性能?!?br/>近年來,他們通過攻關(guān)量子(單光子)頻率上轉(zhuǎn)換和全光纖激光雷達(dá)集成等一系列關(guān)鍵技術(shù),在國(guó)際上首次建成單光子頻率上轉(zhuǎn)換量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá),該雷達(dá)突破了常溫下探測(cè)紅外單光子的量子效率極限,探測(cè)信噪比優(yōu)于傳統(tǒng)激光雷達(dá)3個(gè)數(shù)量級(jí),為高精度、高時(shí)空分辨的中高層大氣探測(cè)奠定了基礎(chǔ)。
竇賢康團(tuán)隊(duì)也在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)基于超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá),獲得空間分辨率為10米、時(shí)間分辨率10秒的最高精度的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)。


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