新型激光雷達(dá)：清除飛行中的“隱形殺手”

張曄

風(fēng)切變是指風(fēng)向和風(fēng)速突然發(fā)生劇烈改變，被稱為“飛行安全的殺手”。國際航空界公認(rèn)，低空風(fēng)切變是飛機起飛和著陸階段一個重要危險因素。

近日，南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院夏海云課題組成功研制出一種30千米全天候非視域多功能激光雷達(dá)，能準(zhǔn)確探測出風(fēng)切變等特殊大氣現(xiàn)象。它的最大水平探測半徑和垂直探測高度分別達(dá)到30千米和7千米，為全球領(lǐng)先水平。

該雷達(dá)可實現(xiàn)全天候多大氣參數(shù)遙感探測，通過應(yīng)用納米材料和人工智能技術(shù)，在惡劣天氣、建筑物阻擋等情況下也可實現(xiàn)精準(zhǔn)探測。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際期刊《遙感》和《光學(xué)快訊》。

納米材料增強激光雷達(dá)“視力”

風(fēng)切變、晴空湍流都是特殊的大氣現(xiàn)象，它們有一個讓各國飛行員畏懼的綽號——“隱形殺手”。這些特殊大氣現(xiàn)象的存在，嚴(yán)重影響民航飛機飛行安全。

激光雷達(dá)的出現(xiàn)，為解決這些難題提供了目前技術(shù)水平下的最優(yōu)方案。

夏海云介紹，激光雷達(dá)已發(fā)展半個多世紀(jì)。其基本原理是：出射激光脈沖與大氣相互作用，采用光學(xué)天線收集大氣后向散射信號，然后輸入光學(xué)接收機，經(jīng)光電探測和數(shù)據(jù)處理后，得出一系列關(guān)鍵大氣參數(shù)。目前，激光雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于多種探測任務(wù)，如氣溶膠濃度、PM2.5值、云高、溫度、濕度、能見度、大氣成分（如水汽、各種污染氣體成分）等。但由于探測能力有限，傳統(tǒng)測風(fēng)激光雷達(dá)仍難以適應(yīng)各種復(fù)雜惡劣天氣條件下的風(fēng)切變探測。測風(fēng)激光雷達(dá)研究也因此被世界氣象組織列為最具挑戰(zhàn)性的激光雷達(dá)研究。

“通常情況下，當(dāng)遭遇降雨、大霧等低能見度條件時，激光雷達(dá)性能會受到限制，無法滿足工作需求。測風(fēng)激光雷達(dá)多用于航空氣象、交通氣象、環(huán)保監(jiān)測、應(yīng)急管理等場景，一旦探測準(zhǔn)確性下降，將極大地影響行業(yè)安全。”夏海云解釋說。

夏海云說，比如在降雨時，激光雷達(dá)的玻璃鏡面會沾上雨水。如果是下毛毛雨的情況，激光雷達(dá)就像人戴著眼鏡進(jìn)浴室一般，眼鏡起霧，視野模糊；如果雨量較大，激光雷達(dá)的鏡面又會變得不平整，影響準(zhǔn)直效果。

夏海云課題組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)，在玻璃鏡面上做了一層疏水疏油材料，使得油污、水滴難以積聚在鏡片上，激光能夠順利發(fā)射出去。“這層納米材料可抗600次擦拭，按一周擦拭一次計算可使用10年。”夏海云說。

云南昆明長水機場受印度洋暖濕氣流影響，是我國西南地區(qū)風(fēng)切變發(fā)生概率最高的機場。2021年12月，夏海云課題組研制的激光雷達(dá)在長水機場投入試運行。

9個月的觀測統(tǒng)計結(jié)果顯示：在降雨條件下，激光雷達(dá)10千米以上目標(biāo)的探測率達(dá)到了92.79%，有效覆蓋了機場跑道。在實際驗證中，激光雷達(dá)還可以捕捉到對流天氣產(chǎn)生的輻合和輻散氣流。

課題組通過與微波雷達(dá)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，微波雷達(dá)可以探測強降雨區(qū)域，距離分辨率達(dá)1000米；而該激光雷達(dá)可以實現(xiàn)強降雨外區(qū)域探測，距離分辨率為30～150米，風(fēng)切變時空分布和演變過程清晰可見。課題組還利用該激光雷達(dá)進(jìn)行垂直廓線探測，揭示了機場降水和風(fēng)切變形成的機制，為航空氣象極端事件預(yù)報奠定基礎(chǔ)。

人工智能描繪超視域風(fēng)場

在實際應(yīng)用中，激光雷達(dá)像人眼一樣，會因為建筑、樹木、煙塵的阻擋，產(chǎn)生探測盲區(qū)。

為了解決激光雷達(dá)“看不見”“照不到”的問題，課題組將人工智能技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)。他們借助人工智能的機器學(xué)習(xí)技術(shù)建立風(fēng)場反演模型，提供全域高時空分辨率探測數(shù)據(jù)。

“風(fēng)場是流動的，就像一條大河。雖然有一部分風(fēng)場會被建筑物或自然地形阻擋，但我們可以通過流體力學(xué)的辦法，計算高樓等阻擋物后面的風(fēng)場結(jié)構(gòu)。在視線受阻，無法探測的情況下，我們在國際上率先實現(xiàn)了風(fēng)場的全區(qū)域測量和重建。”夏海云說，這種人工智能技術(shù)以前多用于不完整的圖片修復(fù)等，在多普勒激光雷達(dá)上還是第一次應(yīng)用。

2023年1月起，應(yīng)用了生成對抗網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的非視域風(fēng)場重建激光雷達(dá)在廣州白云機場投入試運行。由于機場塔臺、航站樓和圍欄等低空建筑物的遮擋，廣州白云機場跑道缺乏完整的水平風(fēng)場探測數(shù)據(jù)。課題組通過輸入機場周邊的大氣資料，讓雷達(dá)邊測邊學(xué)。

基于深度學(xué)習(xí)方法，該雷達(dá)在連續(xù)6個月的觀測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立了非視域風(fēng)場重建模型，實現(xiàn)全域風(fēng)場重建，誤差小于0.85米/秒。

夏海云介紹，這款雷達(dá)采用了單光子靈敏度探測技術(shù)，發(fā)射功率只有1.5瓦，發(fā)熱量小，對環(huán)境適應(yīng)能力強，可對60攝氏度至零下40攝氏度的大氣環(huán)境進(jìn)行24小時365天不間斷工作。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(dá)都能準(zhǔn)確獲得高時空分辨率全域風(fēng)場情況，為低空經(jīng)濟提供實時精準(zhǔn)的氣象保障。