重大突破！我國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá) 3 米和 0.1 秒全球最高時(shí)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(bào)道，近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(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。該成果日前在國際學(xué)術(shù)期刊《光學(xué)快報(bào)》上發(fā)表。

  據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)信息，米級(jí)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(duì)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(hào)檢測靈敏度 2 個(gè)數(shù)量級(jí)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(duì)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(jí)”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(duì)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(duì)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(duì)該工作給與了高度評(píng)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)。