2020年10月，由蘭州大學、新疆維吾爾自治區氣象局等單位共建的蘭州大學“一帶一路”激光雷達觀測網若羌站正式揭牌。至此，該雷達觀測網國內段7個站全部建成，而在國外段，“一帶一路”沿線國家的4個站即將開建。
從硬件技術改進到新算法反演，再到大氣遙感與環境監測應用……近年來，蘭州大學大氣科學學院教授黃建平、黃忠偉領銜的雷達智造團隊不斷攻堅克難，自主研發的多波段拉曼偏振激光雷達，不僅覆蓋“一帶一路”沿線國家和地區高精度、高分辨率的氣象災害預報預警系統，服務於鐵路和物流運輸，還正在全球氣候變化研究等領域發揮積極作用。
“追光”，源於萃英山下的對話
“你瞭解激光雷達嗎？”
“你以後有信心造出來嗎？”
2006年的秋天，蘭州大學物理科學與技術學院2003級本科生黃忠偉緣於對雷達研究的興趣，順利通過大氣科學學院跨專業保研考核。現場，大氣科學學院教授黃建平直接對黃忠偉說：“你上萃英山頂！”
萃英山頂上坐落著剛剛建成的蘭州大學半乾旱氣候與環境觀測站。當時，該觀測站的激光雷達是從國外進口的一臺米散射激光雷達。“進口的激光雷達價格昂貴，功能有限，信號分析源少，無法準確測出固體顆粒物的濃度與成分，而且很難適應西北地區乾旱半乾旱的氣候條件。”黃建平說，一定要培養人，造雷達並開展氣象研究。
2009年秋，在黃建平的協調下，黃忠偉前往日本東北大學進行聯合培養。在日本，他不僅學習激光雷達技術，還掌握了一項“超能力”——熒光多波段測量。2011年，黃忠偉學成回國組建了蘭州大學激光雷達實驗室和雷達智造團隊。2014年1月，在這個總面積不到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，併成為生產其他雷達的參考標準。
“相較於其他雷達，多波段拉曼—熒光激光雷達可實現大氣氣溶膠全熒光光譜的精細探測。就好比是拍攝多維度全景照片，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。”黃忠偉說。
“發光”，填補激光雷達領域研發的空白
如果將硬件技術比作雷達的軀幹，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，基於激光雷達的高精度反演算法是蘭州大學雷達智造團隊的又一核心成果。
2010年，該團隊提出了一種有效的激光雷達氣溶膠光學特性反演算法，在此基礎上，通過發展硬件技術和新的反演算法，研發出一種基於激光雷達資料反演氣溶膠體積濃度和粒子有效半徑的新算法。目前，基於反演算法已經能準確測算出PM2.5和PM10的質量濃度、氣溶膠微物理特性、氣溶膠吸收係數廓線等數據、氣溶膠和雲的類型。
黃建平介紹，運用拉曼—熒光的散射原理，將激光雷達收集到的信號轉化為可供專業人士採納的大氣數據，並突出對大氣顆粒物成分與濃度的分析，填補了我國在多波段拉曼—熒光激光雷達領域研發的空白。
多年來，蘭州大學雷達智造團隊在數據採集控制軟件、雷達控制系統、數據顯示系統等方面，獲得了6項國際國內發明專利，並享有4項計算機軟件著作權，不僅滿足了團隊的科研需求，還實現了科技成果轉化。
“聚光”，佈局“一帶一路”雷達觀測網
“‘一帶一路’激光雷達網，你敢不敢建？”
2017年，黃建平和黃忠偉展開了又一場對談，距離上次保研考核已經過去了11年。
“激光雷達屬於精密的光學儀器，對電力、網絡和環境溫度的穩定性都有很高的要求。”當團隊成員對激光雷達走出實驗室心存顧慮時，黃忠偉主張，只有把激光雷達布出去，才能發現並解決問題。
2017年冬天，在零下20攝氏度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超過20天，“這次蹲守為我們研究提升雷達對外界環境的適應力積累了經驗。同時，也證明瞭雷達走出去不存在一點兒問題”。
在黃忠偉的辦公室牆上，貼著一張“一帶一路”激光雷達觀測網的全景地圖，東起蘭州，西至阿爾及利亞，共14個站點，跨越直線距離8000多公裡。每個雷達站根據觀測需求，分別設置了不同功能組合的激光雷達，還配有多通道微波輻射儀等其他氣象觀測儀器。
黃忠偉說，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，有利於進一步瞭解我國沙塵天氣的成因。
《中國教育報》2021年01月28日第2版
作者：本報記者 尹曉軍 通訊員 許文豔 李暉
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