重大突破！我國科學(xué)家實現(xiàn)激光雷達 3 米和 0.1 秒全球最高時空分辨率高速風(fēng)場觀測

  ICC訊 7 月 6 日消息，據(jù)央視新聞報道，近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團隊在相干測風(fēng)激光雷達方面實現(xiàn)重大突破，首次實現(xiàn) 3 米和 0.1 秒的全球最高時空分辨率的高速風(fēng)場觀測。該成果日前在國際學(xué)術(shù)期刊《光學(xué)快報》上發(fā)表。

  據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)信息，米級分辨率的大氣風(fēng)場探測在航空航天安全、高價值目標(biāo)保障、數(shù)值天氣預(yù)報等方面具有重大意義。實現(xiàn)“看的遠、看的細，測的快、測的準(zhǔn)”的風(fēng)場觀測是對測風(fēng)激光雷達的重要挑戰(zhàn)。為了獲取 3 米和 0.1 秒時空分辨率的風(fēng)場，需再提高現(xiàn)有激光雷達信號檢測靈敏度 2 個數(shù)量級以上。團隊通過在激光光源、光學(xué)收發(fā)系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)采集電路和數(shù)據(jù)處理算法上對激光雷達進行全面優(yōu)化，并在時頻分析、脈沖編碼基礎(chǔ)上提出一種新的反演算法，大大提高了風(fēng)場反演精度和穩(wěn)健性，最終實現(xiàn)了一套全國產(chǎn)化的“產(chǎn)品級”測試樣機。該雷達工作波長為 1550.1 納米，具有人眼安全、設(shè)備輕便(整裝設(shè)備 40 公斤)、工作穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強等特點。

  通過外場對比試驗，該雷達樣機風(fēng)場觀測結(jié)果與定標(biāo)設(shè)備對比誤差小于 0.5m / s。為進一步測試雷達觀測性能和環(huán)境適應(yīng)性，團隊利用該雷達在宿州市高鐵站實地測量了高速列車尾流中的風(fēng)場結(jié)構(gòu)。雷達在無人值守下連續(xù)穩(wěn)定工作超過 100 小時，獲得了 3 米和 0.1 秒高時空分辨率下的 350km / h 的高鐵尾流連續(xù)觀測，并首次利用激光雷達捕捉到高鐵尾流中到類似于卡門渦街的風(fēng)場結(jié)構(gòu)，與計算流體力學(xué)模擬結(jié)果高度一致。

  審稿人對該工作給與了高度評價，稱贊“觀測結(jié)果是引人注目和印象深刻的”(results of this hyperfine coherent Doppler wind lidar is attractive and impressive)、“迄今為止首次實現(xiàn)連續(xù)觀測的高分辨率結(jié)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)。

  地球和空間科學(xué)學(xué)院的梁晨博士是論文第一作者，薛向輝教授和王沖副研究員為論文共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、量子科技創(chuàng)新計劃、廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃項目、上海市重大科技專項、中央高校基本科研基金的支持。

  ▲ 圖 1 3 米距離分辨率相干測風(fēng)雷達實驗裝置：(a) 實驗裝置實物;(b) 白天觀測;(c) 夜間觀測;(d) 光學(xué)系統(tǒng)及電路控制示意圖;(e) 連續(xù) 5 分鐘觀測的陣風(fēng)結(jié)構(gòu)圖(時間分辨率為 1 秒)。

  ▲ 圖 2 高鐵尾流風(fēng)場結(jié)構(gòu)觀測及模擬結(jié)果：(a) 雷達觀測的 0.1 秒分辨率尾流中風(fēng)場結(jié)構(gòu)圖;(b) 基于 CCM + 模擬的 300km / h 運行列車的尾流風(fēng)場結(jié)構(gòu)。