“对于对流层高度大气 ， 我们可以使用气象雷达和探空气球来探测 。 在更高高度（热层和电离层、磁层、行星际等） ， 我们可以使用卫星探测 。 但是 ， 三十公里到一百公里高度的中高层大气 ， 主要以大气分子为主 ， 散射物很少 ， 是探空气球上不去、卫星观测下不来的探测盲区 。 ”窦贤康指出 ， 虽然发射携带探测仪器的探空火箭可以探测这部分空间 ， 但探空火箭是单次测量 ， 且探测成本高昂 ， 无法做到长期观测 。 因此 ， 探测中高层大气需要创新观测手段 。
激光雷达是中高层大气探测的主要手段
激光雷达是中高层大气探测的主要手段 ， 能够覆盖从近地面到一百公里的中高层大气 。 雷达利用目标对电磁波的散射过程来发现目标并获得其特征信息 。 三十公里到一百公里高度中高层大气的主体是纯净的大气分子 ， 其尺度与激光波长相当 ， 可以用激光与大气分子的相互作用对中高层大气进行探测 。
激光雷达探测中高层大气的主要参数包括大气密度、温度和风场 。 其中 ， 风场是中高层大气最重要的动力学参数 ， 是中高层大气全球环流的直接体现 ， 也是中高层大气最难测的参数 。 精确的大气风场探测对数值天气预报、气候模型改进、生化气体监控、机场风切变预警等具有重大意义 。
窦贤康介绍风场测量的难度 。 如前所述 ， 中高层大气主要以大气分子为主 。 由于大气分子本身的热运动 ， 我们发射一束激光被大气分子散射 ， 散射激光频谱会产生展宽 。 如果大气分子随风场运动 ， 这个展宽的光谱就会产生频移 。 对这个频移量的精确测量可以估计大气的风速 。 对频移测量的主要技术难点是散射激光光谱展宽大、风场产生频移量小以及被散射激光信号微弱 。
国际上以及窦贤康团队都在研究的一种解决方案是 ， 使用“双边缘技术”检测微小激光频移 ， 通过光学鉴频器将微弱光信号的频移转化为信号强度的相对变化 。 “这个用处很大 ， 可以有效探测高空的风场 。 ”
创新性利用量子探测技术提高激光雷达性能
实际上 ， 全球风场测量还面临以下挑战：在激光功率、望远镜面积受限的条件下 ， 大幅度提高探测信噪比；在基地、气象站等人员密集场所保障人眼安全；在机载、星载平台 ， 克服强振动、温差大等环境的干扰 。
“激光雷达的性能提升中有两个因素 ， 一个是接收散射光子的望远镜口径 ， 一个是激光能量 。 由于高空大气分子散射信号很弱 ， 要提升激光雷达的性能 ， 一方面要增大望远镜的口径（面积） ， 这就导致激光雷达尺度很大 ， 造价很高 ， 不利于在卫星平台工作；另一方要提升激光器能量 ， 这会导致高功率激光烧坏光学镜片等问题 ， 这是星载激光雷达所面临的技术难题 。 ”窦贤康指出 ， 除此以外 ， 激光雷达还面临另一个问题：白天由于阳光影响 ， 可见光波段的激光雷达信号往往很差或者无法工作 。
推荐阅读
- IT|搭载激光雷达的蔚来ES7首次曝光 2022年将正式亮相
- 成功|高功率随机光纤激光成功用于无散斑成像
- 通信技术|日本将试验激光与卫星通信 连接速度可达10Gbps
- 设计|比肩激光电视的4K分辨率智能投影仪：慧示J1 Pro评测，开灯也能用
- 磁场|利用磁场任意切换纳米激光器的状态
- 夜间|炫酷！重庆高速激光防疲劳系统投入使用
- 警示|重庆市高速公路启用安全驾驶激光防疲劳系统
- 大理|大理爱尔眼科医院邀您共同见证黑科技——飞秒激光联合焕晶白内障技术
- 激光|某化工企业新“员工”：艾吉威激光slam全向叉取式AGV
- 杜比|峰米全色激光电视 T1 发布：16999 元起，全色激光光源