中國科大在相干測風激光雷達系統(tǒng)研制方面取得重大突破

近日，竇賢康教授激光雷達團隊在相干測風激光雷達方面實現(xiàn)重大突破，首次實現(xiàn)3米和0.1秒的全球最高時空分辨率的高速風場觀測。該成果發(fā)表在國際知名光學期刊《光學快報》上(Optics Letters 47, 3179(2022))，獲得國內外同行廣泛關注，并在本刊周期內保持下載瀏覽量Top1。

米級分辨率的大氣風場探測在航空航天安全、高價值目標保障、數(shù)值天氣預報等方面具有重大意義。實現(xiàn)“看的遠、看的細，測的快、測的準”的風場觀測是對測風激光雷達的重要挑戰(zhàn)。為了獲取3米和0.1秒時空分辨率的風場，需再提高現(xiàn)有激光雷達信號檢測靈敏度2個數(shù)量級以上。團隊通過在激光光源、光學收發(fā)系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)采集電路和數(shù)據(jù)處理算法上對激光雷達進行全面優(yōu)化，并在時頻分析、脈沖編碼基礎上提出一種新的反演算法，大大提高了風場反演精度和穩(wěn)健性，最終實現(xiàn)了一套全國產(chǎn)化的“產(chǎn)品級”測試樣機。該雷達工作波長為1550.1納米，具有人眼安全、設備輕便（整裝設備40公斤）、工作穩(wěn)定、環(huán)境適應性強等特點。

通過外場對比試驗，該雷達樣機風場觀測結果與定標設備對比誤差小于0.5m/s。為進一步測試雷達觀測性能和環(huán)境適應性，團隊利用該雷達在宿州市高鐵站實地測量了高速列車尾流中的風場結構。雷達在無人值守下連續(xù)穩(wěn)定工作超過100小時，獲得了3米和0.1秒高時空分辨率下的350km/h的高鐵尾流連續(xù)觀測，并首次利用激光雷達捕捉到高鐵尾流中到類似于卡門渦街的風場結構，與計算流體力學模擬結果高度一致。

審稿人對該工作給與了高度評價，稱贊“觀測結果是引人注目和印象深刻的”(results of this hyperfine coherent Doppler wind lidar is attractive and impressive)、“迄今為止首次實現(xiàn)連續(xù)觀測的高分辨率結果”(this is the first time that the continuous observation results with the spatial and temporal resolution of 3 m and 0.1 s are shown)。

地球和空間科學學院的梁晨博士是論文第一作者，薛向輝教授和王沖副研究員為論文共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、量子科技創(chuàng)新計劃、廣東省重點領域研發(fā)計劃項目、上海市重大科技專項、中央高?；究蒲谢鸬闹С帧?/p>

圖1 3米距離分辨率相干測風雷達實驗裝置：(a)實驗裝置實物；(b)白天觀測；(c)夜間觀測；(d)光學系統(tǒng)及電路控制示意圖；(e)連續(xù)5分鐘觀測的陣風結構圖（時間分辨率為1秒）。

圖2 高鐵尾流風場結構觀測及模擬結果：(a)雷達觀測的0.1秒分辨率尾流中風場結構圖；(b)基于CCM+模擬的300km/h運行列車的尾流風場結構。