近日，
由浙大光電科學與工程學院、
寧波研究院劉東教授、劉崇教授團隊
成功研制的國內(nèi)首臺
海洋高光譜分辨率激光雷達
與自主研制的海洋彈性激光雷達系統(tǒng)
一起參加自然資源部第二海洋研究所
組織的國家重點研發(fā)計劃項目
“海洋光學遙感探測機理與模型研究”航次，
搭載于“潤江一號”科考船，
在中國東海和南海進行了海試實驗。
寧波研究院周雨迪博士、
光電學院研究生徐沛拓、陳揚參與海試
央視新聞報道部分截圖
團隊研制的國內(nèi)首臺
海洋高光譜分辨率激光雷達
在此次海試實驗中
展現(xiàn)了其良好的可靠性和先進性。
從上天到入海，
探索激光雷達的“海洋夢”
長1.5米、寬0.7米、高2米，重量約300千克，如果你初次見到浙大團隊研制的這臺海洋高光譜分辨率激光雷達系統(tǒng)，或許會被它龐大的體積所吸引。而也是在這個龐大的外形之下，隱藏著基于團隊多年研究基礎設計而成的一系列高精密部件和附加件。
海洋高光譜分辨率激光雷達系統(tǒng)
時針撥回2015年，那時團隊的目光還聚焦于大氣激光雷達，特別是大氣高光譜分辨率激光雷達領域?！霸谝淮闻c國際同行的交流中，我們發(fā)現(xiàn)激光雷達不僅可以向天上探測，也可以對廣闊的海洋進行觀測。”劉東直言，盡管當前海洋激光雷達在國內(nèi)技術積累相對較弱，但國際上已證明了其在海洋生物地球化學、漁業(yè)、島礁地形等領域的巨大潛力。也是從這個時候起，團隊萌發(fā)出了激光雷達的“海洋夢”，希望能夠抓住這次拓展技術應用領域、踐行海洋強國國家戰(zhàn)略的機遇。
從大氣到海洋，這個嘗試并不容易。技術難度高、研制成本貴、實驗條件受限，是擺在團隊面前的“三座大山”，層層推進對于團隊來說是當時最好的選擇。
“我們最開始沒有直接將技術難度最大的高光譜分辨率激光雷達技術應用于海洋，而是遵循技術發(fā)展規(guī)律先研制了一套海洋彈性激光雷達”。經(jīng)過多次海試實驗，其可靠性得到了驗證。然而，團隊發(fā)現(xiàn)這種激光雷達限制很大，最主要的原因就是它的探測精度較低。在大氣領域，一個很好的解決方案就是采用高光譜分辨率激光雷達技術，那么在海洋中可不可以采用這種方案呢？至此，團隊對于海洋高光譜分辨率激光雷達的研究，正式揭開序幕。
團隊研制的海洋彈性激光雷達系統(tǒng)
2017年，團隊發(fā)表了首篇關于海洋高光譜分辨率激光雷達的期刊論文，并在隨后不斷地論證這種技術的可行性。此外，團隊對于海洋彈性激光雷達的研制經(jīng)驗和大氣高光譜分辨率激光雷達的研制經(jīng)驗為海洋高光譜分辨率激光雷達的研制提供了很好的研究基礎?！?019年，我們認為理論和技術都已經(jīng)成熟了，就正式開始研制海洋高光譜分辨率激光雷達系統(tǒng)，包括各個模塊設備的初期調(diào)研、設計、加工、采購、模塊組裝、模塊測試以及整體的組裝及測試。”有了前期的理論和實踐基礎，經(jīng)過一年多的時間，團隊順利研制出國內(nèi)首臺海洋高光譜分辨率激光雷達系統(tǒng)。
走出“溫室”直面海洋，
克服重重困難
把儀器當作自己的孩子，是很多科研工作者共同的經(jīng)歷。很多精密的儀器都需要在實驗室的“溫室”里工作，受不得半點“委屈”。一旦溫度不適宜或是有一點震動，或許她們就會鬧脾氣不工作了。但在研制海洋高光譜分辨率激光雷達的過程中，浙大團隊卻面臨著一個巨大的考驗——讓儀器走出“溫室”，接受大海的考驗。
“海上實驗環(huán)境伴隨著大量高鹽高濕的海風、海浪，具有很強的腐蝕性，而我們的儀器中又有大量的光學件、電路，如何確保儀器在環(huán)境復雜的海上正常使用，這對團隊提出了很大的挑戰(zhàn)，”劉東說，“海洋環(huán)境的不確定性，要求我們必須考慮得更多”。面對可能存在的問題，團隊提前做好了一系列的預案。
海洋環(huán)境的特殊性要求儀器的防護設計比一般的戶外儀器更加嚴苛，不僅需要防水、耐高溫，還需要防腐蝕。對此，團隊不放過任何可能出現(xiàn)問題的地方。從儀器的外殼、各類接口包括部分裸露在外的器件，團隊都做了足夠的防護。尤其是儀器上下兩個部分銜接的地方，團隊還采用了特殊的設計，并進行了反復的測試、修正。與此同時，為防止意外泄漏，在內(nèi)部器件的選取上，團隊也進行了大量的調(diào)研，盡量選擇能夠抗腐蝕的器件，或是額外增加一層防護。
光電檢測與遙感研究團隊成員參與海試實驗
小到機械件的配合問題，大到技術上的硬性問題，除了要克服海洋實驗環(huán)境的特殊性，團隊在儀器研制過程中還遇到了無數(shù)大大小小的挑戰(zhàn)。如何有效安裝儀器的核心部件超窄帶光譜鑒頻器就是其中之一。
團隊選擇的技術路線是一個國際上鮮有報道的多通道碘池鑒頻器，這個部件需要加熱到一定溫度，并達到0.1℃的溫控精度才能正常運作。還要確保其能夠承受運輸?shù)恼駝迎h(huán)境和實驗過程中的未知環(huán)境，可以說是一個不小的挑戰(zhàn)。
沒有前人的經(jīng)驗就一步步嘗試并積累經(jīng)驗。經(jīng)過反復調(diào)研，一種可實現(xiàn)的高精度溫控方式以及可靠的固定方式終于出現(xiàn)。團隊成員陳揚分享道：“經(jīng)過多次的討論和反復論證，碘池鑒頻器在安裝時非常順利，且在實際的使用中沒有后續(xù)問題”。
回顧研制這樣一臺大型的、復雜的儀器的過程，成員們提及最多的就是彼此之間默契的配合與良好的溝通。“在研制期間，團隊每個人都有自己的職責，涵蓋了原理研究、技術攻關、任務統(tǒng)籌、進度跟進等方方面面。在默契的配合中，我們逐步攻克一個又一個難題”。團隊成員徐沛拓說。
探測數(shù)據(jù)精度更高，
助力“海洋強國”
“海洋事業(yè)關系民族生存發(fā)展狀態(tài)，關系國家興衰安危?！秉h的十八大以來，習近平總書記多次在講話中談及海洋強國建設，重視海洋事業(yè)發(fā)展。浙大研究團隊也在為建設“海洋強國”不斷貢獻著自己的力量。
從東海到南海，在此次近半個月的海試過程中，團隊研制的海洋高光譜分辨率激光雷達所獲取的走航數(shù)據(jù)和大量的固定站點數(shù)據(jù)，通過與同步探測的海洋彈性激光雷達系統(tǒng)以及原位儀器的初步對比，展現(xiàn)了其良好的可靠性和先進性。
海洋高光譜分辨率激光雷達系統(tǒng)首次海試實驗
那么，相較于當前常見的海洋彈性激光雷達，海洋高光譜分辨率激光雷達的優(yōu)越性有哪些呢？
精度更高，這是團隊給出的回答。
“彈性激光雷達的一個信號里包含了兩個未知光學量，我們都知道一個方程兩個未知數(shù)，沒有辦法進行求解?！眲|解釋道，“科學家們需要借助假設來求出這兩個未知數(shù)，那么顯然這個假設就會影響求解的精度。”而海洋高光譜分辨率激光雷達則采用了超窄帶光譜鑒頻器來額外增加了一路分子通道信號。
從一個方程兩個未知數(shù)變?yōu)閮蓚€方程兩個未知數(shù)，方程可輕易求解。而解出這兩個未知數(shù)，我們就能夠得到一個新的參數(shù)，就是這兩個未知數(shù)的比值。“可不要小看了這個比值，它的大小與水體懸浮物種類、浮游植物的光合作用密切相關?！?br/>而幫助科學家更準確地探測海洋浮游植物正是海洋高光譜分辨率激光雷達未來的應用前景之一?！斑@些小小的浮游植物，其實有著大大的夢想?！闭珀懙厣系拇蟛菰粯?，浮游植物就是海上的“草原”，它們貢獻了全球一半的凈初級生產(chǎn)力。劉東指出，“這意味著光合作用固定下來的能量有一半來源于陸地上的植物，而另一半就是海洋中的浮游植物，未來我們還能不能吃到便宜的海鮮可是全指望它了。”
據(jù)悉，目前團隊也在參與國家的機載和星載海洋激光雷達項目，希望推動高光譜分辨率激光雷達搭載飛機平臺和衛(wèi)星平臺，進行更加高效、更大面積的海洋探測。