中国科大在相干测风激光雷达系统研制方面取得重大突破

2022-07-12 09:59

近日，窦贤康教授激光雷达团队在相干测风激光雷达方面实现重大突破，首次实现3米和0.1秒的全球最高时空分辨率的高速风场观测。该成果发表在国际知名光学期刊《光学快报》上（Optics Letters 47， 3179（2022）），获得国内外同行广泛关注，并在本刊周期内保持下载浏览量Top1。

米级分辨率的大气风场探测在航空航天安全、高价值目标保障、数值天气预报等方面具有重大意义。实现“看的远、看的细，测的快、测的准”的风场观测是对测风激光雷达的重要挑战。为了获取3米和0.1秒时空分辨率的风场，需再提高现有激光雷达信号检测灵敏度2个数量级以上。团队通过在激光光源、光学收发系统、高速数据采集电路和数据处理算法上对激光雷达进行全面优化，并在时频分析、脉冲编码基础上提出一种新的反演算法，大大提高了风场反演精度和稳健性，最终实现了一套全国产化的“产品级”测试样机。该雷达工作波长为1550.1nm，具有人眼安全、设备轻便（整装设备40公斤）、工作稳定、环境适应性强等特点。

图1 3米距离分辨率相干测风雷达实验装置：（a）实验装置实物；（b）白天观测；（c）夜间观测；（d）光学系统及电路控制示意图；（e）连续5分钟观测的阵风结构图（时间分辨率为1秒）。

通过外场对比试验，该雷达样机风场观测结果与定标设备对比误差小于0.5m／s。为进一步测试雷达观测性能和环境适应性，团队利用该雷达在宿州市高铁站实地测量了高速列车尾流中的风场结构。雷达在无人值守下连续稳定工作超过100小时，获得了3米和0.1秒高时空分辨率下的350km／h的高铁尾流连续观测，并首次利用激光雷达捕捉到高铁尾流中到类似于卡门涡街的风场结构，与计算流体力学模拟结果高度一致。

中国科大在相干测风激光雷达系统研制方面取得重大突破

图2 高铁尾流风场结构观测及模拟结果：（a）雷达观测的0．1秒分辨率尾流中风场结构图；（b）基于CCM＋模拟的300km／h运行列车的尾流风场结构。

审稿人对该工作给与了高度评价，称赞“观测结果是引人注目和印象深刻的”（results of this hyperfine coherent Doppler wind lidar is attractive and impressive）、“迄今为止首次实现连续观测的高分辨率结果”（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）。

地球和空间科学学院的梁晨博士是论文第一作者，薛向辉教授和王冲副研究员为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、量子科技创新计划、广东省重点领域研发计划项目、上海市重大科技专项、中央高校基本科研基金的支持。