近日，竇賢康教授激光雷達(dá)團(tuán)隊(duì)在相干測風(fēng)激光雷達(dá)方面實(shí)現(xiàn)重大突破，首次實(shí)現(xiàn)3米和0.1秒的全球最高時(shí)空分辨率的高速風(fēng)場觀測。該成果發(fā)表在國際知名光學(xué)期刊《光學(xué)快報(bào)》上(Optics Letters 47, 3179(2022))，獲得國內(nèi)外同行廣泛關(guān)注，并在本刊周期內(nèi)保持下載瀏覽量Top1。其中，相干測風(fēng)激光雷達(dá)平衡探測器由合肥固達(dá)科技(GUDATEK)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)竇賢康教授課題組聯(lián)合開發(fā)。
米級分辨率的大氣風(fēng)場探測在航空航天安全、高價(jià)值目標(biāo)保障、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)等方面具有重大意義。實(shí)現(xiàn)“看的遠(yuǎn)、看的細(xì)，測的快、測的準(zhǔn)”的風(fēng)場觀測是對測風(fēng)激光雷達(dá)的重要挑戰(zhàn)。為了獲取3米和0.1秒時(shí)空分辨率的風(fēng)場，需再提高現(xiàn)有激光雷達(dá)信號檢測靈敏度2個(gè)數(shù)量級以上。團(tuán)隊(duì)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(dá)進(jìn)行全面優(yōu)化，并在時(shí)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(shí)現(xiàn)了一套全國產(chǎn)化的“產(chǎn)品級”測試樣機(jī)。該雷達(dá)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(qiáng)等特點(diǎn)。
通過外場對比試驗(yàn)，該雷達(dá)樣機(jī)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(jìn)一步測試?yán)走_(dá)觀測性能和環(huán)境適應(yīng)性，團(tuán)隊(duì)利用該雷達(dá)在宿州市高鐵站實(shí)地測量了高速列車尾流中的風(fēng)場結(jié)構(gòu)。雷達(dá)在無人值守下連續(xù)穩(wěn)定工作超過100小時(shí)，獲得了3米和0.1秒高時(shí)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(dá)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(jì)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(jià)，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(shí)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(jì)劃、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、上海市重大科技專項(xiàng)、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(dá)實(shí)驗(yàn)裝置：(a)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)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(shí)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(dá)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(yùn)行列車的尾流風(fēng)場結(jié)構(gòu)。
論文鏈接： https://opg.optica.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-47-13-3179&id=477123