追光 韜光 聚光

許文艷 李暉

2020年10月，由蘭州大學大氣科學學院黃建平教授、黃忠偉教授領銜的雷達智造團隊建設的“一帶一路”激光雷達網若羌站揭牌，標志著該雷達觀測網國內段7個站全部建成。將來在國外將布置若干站，這些雷達站均以蘭州大學自主研發的多波段拉曼偏振激光雷達為主要監測儀器。

團隊構建的立體觀測體系，可為“一帶一路”沿線國家和地區提供高精度、高分辨率的氣象災害預報預警，可服務鐵路和物流運輸，還將在全球氣候變化研究等領域發揮積極作用。

蘭州大學雷達智造團隊的激光雷達研發之路已經走過了14個年頭。這個14年的激光雷達研發故事，要從一場跨專業保研說起。

“追光”，萃英山下的對話

“你了解激光雷達嗎？”

“你以后有信心造出來嗎？”

2006年的秋天，在蘭州大學跨專業保研面試現場，大氣科學學院黃建平教授這樣問黃忠偉，當時黃忠偉在物理科學與技術學院讀大四。

激光雷達能夠收集到距地表幾十公里范圍內大氣中的污染物、水汽和云的分布情況的觀測數據。當時激光雷達從國外進口，不僅造價昂貴，而且它們還很難適應氣候干、溫差大、顆粒物濃度高等西北地區干旱半干旱的氣候條件，這些“水土不服”的雷達常常不能正常使用。所以蘭大人夢想著造出自己的激光雷達。

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生一樣，準備前往城關校區完成畢業論文。此時他接到黃建平教授的電話：“你不要到市區來了，直接上萃英山頂。”

萃英山頂上坐落著當年剛剛建成的蘭州大學半干旱氣候與環境觀測站。就是在這里，黃忠偉第一次接觸到了激光雷達，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激光雷達的價格。這臺架在萃英山頂的激光雷達出現故障，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。周圍都是本科學大氣的同學，他們都不敢拆這么貴的一臺機器。我本科是物理專業，四年都在做力、熱、光、電的實驗，凡是儀器壞了都習慣拆開看看。拆了真不一樣，學到了不少東西?！秉S忠偉說。

2009年秋，在黃建平教授的協調幫助下，黃忠偉前往日本東北大學進行聯合培養。他此行的目標很明確，就是要把激光雷達技術學到手。在日本，黃忠偉不僅學習到了激光雷達技術，還掌握了額外的一項“超能力”——熒光多波段測量。

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

“韜光”，改進硬件技術

2011年，黃忠偉學成回國，在蘭州大學組建了激光雷達實驗室。2014年1月，在這個小小的兩間總面積不到40平方米的“雷達加工車間”誕生了我國第一臺多波段拉曼-熒光激光雷達，并成為生產其他雷達的參考標準。6年間，他們先后制造了14臺激光雷達。如今，在蘭州大學激光雷達大氣遙感實驗室里，擺放著的兩個大小不一的“黑箱子”就是第二代多波段拉曼-熒光激光雷達。

激光雷達由激光發射機、光學接收機、轉臺和信息處理系統等組成，激光器將光脈沖發射出去，光接收機再把從目標反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。

“每臺雷達就像一個baby一樣，制造出來很不容易，從最開始用SolidWorks軟件畫圖設計，到對一個個零配件進行組裝、調試，都是我們一步一步親手做的?！秉S忠偉說。

在多波段拉曼-熒光激光雷達被研制出來之前，市場上已經有了多波段激光雷達、拉曼激光雷達和熒光激光雷達，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，反復試驗才能得到最優組合的多波段拉曼-熒光激光雷達，真正實現大氣氣溶膠（所謂氣溶膠，一般指大氣顆粒物，是大氣中存在的各種固態和液態顆粒狀物質的總稱）全熒光光譜的精細探測。

如果把單波段激光雷達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面，測出的大氣數據更加全面、立體、精準。

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公里以外的細菌病毒！

如果將硬件技術比作雷達的軀干，反演算法則是雷達的大腦。好的硬件提供優質的信號，好的算法計算出精準的數據，二者相輔相成?；诩す饫走_的高精度反演算法是黃忠偉團隊的又一核心成果。

“發光”，用于大氣遙感與環境監測研究

“既有硬件設計，又有算法開發，還有后期的應用，我們整個研發產業鏈是完整的?！秉S忠偉說。

黃忠偉團隊制造的激光雷達，不僅可用于大氣霧霾探測的研究及預警，還可用于衛星數據校正、氣象觀測、氣象干預等領域，例如雷達收集到的關于云層的信號可轉化為云層的數據，供氣象部門人工降雨時參考?！叭斯そ涤晷枰酶呱渑谕茖永锎虼呋瘎裁磿r候打、打多少、怎么打，都需要數據提供精確指導?！秉S忠偉教授說。

14年里，黃忠偉團隊在數據采集控制軟件、雷達控制系統、數據顯示系統等方面，研發了6項國際、國內發明專利，以及4項計算機軟件著作權。

“聚光”，布局“一帶一路”雷達觀測網

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

“‘一帶一路激光雷達網，你敢不敢建？”黃建平問。

黃忠偉說：“咱就做唄，就是多加點班。”其實當時剛博士畢業5年的黃忠偉心里也沒底，要知道2017年之前，激光雷達都是被當做“瓷娃娃”擺在實驗室里的，要想走出實驗室到“一帶一路”去，這里面涉及研發、工程、溝通多方面的問題。

激光雷達屬于精密的光學儀器，對電力、網絡和環境溫度的穩定都有很高的要求，不滿足要求的話，一臺價值百萬元人民幣的激光雷達就可能面臨報廢的風險。

當團隊成員對激光雷達走出實驗室還心存顧慮時，黃忠偉主張，只有把激光雷達布出去，我們才能發現問題，解決問題。制造裝配式激光雷達——讓雷達“進箱子、走出去”的方向才正式確定了下來。

在零下2 0℃的烏魯木齊環保局樓頂上，黃忠偉團隊一起守著第一個布出去的雷達20多天。這次經歷為他們日后研究裝配式激光雷達提升保溫性能、加裝續航電池、安裝停電報警系統，進而提升它對外界環境的適應力積累了經驗、打下了基礎。

、解決了激光雷達走出去的問題，下一步就是如何讓它走得遠了。

在黃忠偉辦公室墻上貼著一張“一帶一路”激光雷達觀測網的全景地圖，它東起蘭州，西至阿爾及利亞，共14個站點，跨越直線距離8000多公里，可獲得全球干旱半干旱區的大氣監測整體數據。用紅旗標注著已建成的站點，黃旗標注的是將要建設的站點。每個雷達站根據觀測需求，分別設置了單波段、多波段、有無熒光等不同功能組合的激光雷達。

“‘一帶一路激光雷達觀測網的建設具有科學研究、人才培養、國際合作這幾方面價值?！秉S忠偉說。通過部署激光雷達觀測網，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，參與激光雷達智造項目畢業的本科生、碩士、博士研究生已達30人，他們畢業后還在從事與大氣污染監測相關方面的研究。

中方提供激光雷達和相關檢測設備，“一帶一路”國家提供場地環境，雙方加強國際合作?！?019年我們還前后邀請了塔吉克斯坦科學院烏馬羅夫物理技術研究所、巴基斯坦白沙瓦大學的5個青年專家來校訪問，對他們進行培訓，回國之后他們也可以對‘一帶一路雷達站進行設備的維護了。”黃忠偉說，“巴基斯坦白沙瓦大學還計劃建立一個大氣科學學院，希望我們這邊提供師資進行授課?！?/p>

幾乎每個夜晚，蘭州大學城關校區12號學生公寓附近，幾個白色鐵皮箱發出道道綠光，鐵皮箱上寫著——拉曼偏振激光雷達。過不了多久，這些白色鐵皮箱將會搭乘中歐班列，前往塔吉克斯坦和巴基斯坦。未來，更多的激光雷達將通過裝配運輸的方式被送往“一帶一路”沿線國家。一帶一路，點點綠光，串聯起來，編織成一張跨越上萬公里的激光雷達觀測網。通過國際合作，共同開展對大氣成分的監測、研究。

黃建平團隊在不斷提升激光雷達探測功能、反演算法精度、做好應用開發的同時，現已著手將“一帶一路”激光雷達觀測網收集到的數據通過網絡平臺予以公開，實現數據共享，希望更多人參與進來，為相關研究打開一扇更廣闊的大門。