中國科學(xué)院院士、武漢大學(xué)校長竇賢康

對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)場探測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。不過，中國科學(xué)院院士、武漢大學(xué)校長竇賢康創(chuàng)新研發(fā)的量子激光雷達(dá)對此提供了有效解決方案。
近日，竇賢康在北京舉行地“雁棲湖會議”上進(jìn)行《量子探測技術(shù)在大氣探測激光雷達(dá)中的應(yīng)用》主題演講，就相關(guān)研究進(jìn)行具體介紹。
“雁棲湖會議”是中國科學(xué)院與北京市合作舉辦的高端國際學(xué)術(shù)交流活動，至今已舉辦四屆。今年會議以“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)。
竇賢康長期從事中高層大氣理論、觀測與實(shí)驗(yàn)綜合研究，獨(dú)立自主研制了系列激光雷達(dá)觀測系統(tǒng)，車載測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)填補(bǔ)了國內(nèi)在該領(lǐng)域的空白，技術(shù)水平達(dá)到國際領(lǐng)先水平；國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)；并基于在觀測設(shè)備上的開拓性工作，在中層頂區(qū)域大氣動力學(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，為對流層；十至五十公里的大氣以水平流動為主，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，“對流層大氣的密度變化幅度相對較小，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)事件等擾動的影響產(chǎn)生劇烈變化。衛(wèi)星軌道會受到密度變化的影響，如果無法準(zhǔn)確觀測和預(yù)測高空大氣密度，衛(wèi)星軌道預(yù)測就會非常困難?！?br/>然而，由于缺乏觀測手段，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，也無法使用探空氣球進(jìn)行探測。
“對于對流層高度大氣，我們可以使用氣象雷達(dá)和探空氣球來探測。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。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)星觀測下不來的探測盲區(qū)?！备]賢康指出，雖然發(fā)射攜帶探測儀器的探空火箭可以探測這部分空間，但探空火箭是單次測量，且探測成本高昂，無法做到長期觀測。因此，探測中高層大氣需要?jiǎng)?chuàng)新觀測手段。
激光雷達(dá)是中高層大氣探測的主要手段
激光雷達(dá)是中高層大氣探測的主要手段，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，其尺度與激光波長相當(dāng)，可以用激光與大氣分子的相互作用對中高層大氣進(jìn)行探測。
激光雷達(dá)探測中高層大氣的主要參數(shù)包括大氣密度、溫度和風(fēng)場。其中，風(fēng)場是中高層大氣最重要的動力學(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的參數(shù)。精確的大氣風(fēng)場探測對數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣候模型改進(jìn)、生化氣體監(jiān)控、機(jī)場風(fēng)切變預(yù)警等具有重大意義。
竇賢康介紹風(fēng)場測量的難度。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，我們發(fā)射一束激光被大氣分子散射，散射激光頻譜會產(chǎn)生展寬。如果大氣分子隨風(fēng)場運(yùn)動，這個(gè)展寬的光譜就會產(chǎn)生頻移。對這個(gè)頻移量的精確測量可以估計(jì)大氣的風(fēng)速。對頻移測量的主要技術(shù)難點(diǎn)是散射激光光譜展寬大、風(fēng)場產(chǎn)生頻移量小以及被散射激光信號微弱。
國際上以及竇賢康團(tuán)隊(duì)都在研究的一種解決方案是，使用“雙邊緣技術(shù)”檢測微小激光頻移，通過光學(xué)鑒頻器將微弱光信號的頻移轉(zhuǎn)化為信號強(qiáng)度的相對變化?！斑@個(gè)用處很大，可以有效探測高空的風(fēng)場?！?br/>創(chuàng)新性利用量子探測技術(shù)提高激光雷達(dá)性能
實(shí)際上，全球風(fēng)場測量還面臨以下挑戰(zhàn)：在激光功率、望遠(yuǎn)鏡面積受限的條件下，大幅度提高探測信噪比；在基地、氣象站等人員密集場所保障人眼安全；在機(jī)載、星載平臺，克服強(qiáng)振動、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)星平臺工作；另一方要提升激光器能量，這會導(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。”竇賢康指出，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，利用光量子探測技術(shù)，通過提高激光雷達(dá)探測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，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)對于大氣散射的紅外光子探測效率比較低。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，使用探測效率更高的硅探測器進(jìn)行探測。這樣，可以有效提升激光雷達(dá)探測效率和性能?！?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)，在國際上首次建成單光子頻率上轉(zhuǎn)換量子測風(fēng)激光雷達(dá)，該雷達(dá)突破了常溫下探測紅外單光子的量子效率極限，探測信噪比優(yōu)于傳統(tǒng)激光雷達(dá)3個(gè)數(shù)量級，為高精度、高時(shí)空分辨的中高層大氣探測奠定了基礎(chǔ)。
竇賢康團(tuán)隊(duì)也在國際上首次實(shí)現(xiàn)基于超導(dǎo)納米線單光子探測器的測風(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)場探測。