中國科學院院士、武漢大學校長竇賢康

對于空間天氣研究和預報有重要意義的中高層大氣風場探測一直以來都面臨困境——無法使用探空氣球或衛(wèi)星進行探測。不過，中國科學院院士、武漢大學校長竇賢康創(chuàng)新研發(fā)的量子激光雷達對此提供了有效解決方案。
近日，竇賢康在北京舉行地“雁棲湖會議”上進行《量子探測技術在大氣探測激光雷達中的應用》主題演講，就相關研究進行具體介紹。
“雁棲湖會議”是中國科學院與北京市合作舉辦的高端國際學術交流活動，至今已舉辦四屆。今年會議以“量子科學與技術前沿”為主題，聚焦量子科技領域的前沿重點問題，前瞻探討量子科技未來發(fā)展的戰(zhàn)略目標、方向和任務。
竇賢康長期從事中高層大氣理論、觀測與實驗綜合研究，獨立自主研制了系列激光雷達觀測系統(tǒng)，車載測風激光雷達系統(tǒng)填補了國內(nèi)在該領域的空白，技術水平達到國際領先水平；國際上首次研制成功基于單光子頻率上轉(zhuǎn)化技術的量子激光雷達；并基于在觀測設備上的開拓性工作，在中層頂區(qū)域大氣動力學和光化學等領域的研究取得了系統(tǒng)性和創(chuàng)新性成果。
過去，中高層大氣探測是比較大的難題
“空間物理研究的領域是太陽表面與地球表面之間的空間。”竇賢康介紹道，按照高度范圍可分為中高層大氣、熱層和電離層、磁層、行星際空間。其中，中高層大氣（十幾公里到一兩百公里）是地球中性大氣向空間等離子體過渡關鍵節(jié)點。
日常生活我們遇到的雨、雪等天氣現(xiàn)象都發(fā)生十公里以下大氣中，為對流層；十至五十公里的大氣以水平流動為主，為平流層；五十至九十公里的大氣被稱為中間層；九十公里高度以上是熱層大氣。平流層、中間層以及低熱層大氣構成了中高層大氣的主要區(qū)域。
為什么要研究中高層大氣？竇賢康舉出一個例子，“對流層大氣的密度變化幅度相對較小，雖然晴天雨天天氣條件不同，但大氣密度變化幅度往往僅在1%左右。相比較而言，中高層大氣由于密度非常稀薄，很容易受到太陽爆發(fā)事件等擾動的影響產(chǎn)生劇烈變化。衛(wèi)星軌道會受到密度變化的影響，如果無法準確觀測和預測高空大氣密度，衛(wèi)星軌道預測就會非常困難?！?br/>然而，由于缺乏觀測手段，中高層大氣的研究還不夠充分?？臻g物理傳統(tǒng)上主要關注電離層以上（高于一百公里），大氣科學主要聚焦平流層以下（低于三十公里）。在三十到一百公里高度的中高層大氣既無法利用衛(wèi)星進行直接探測，也無法使用探空氣球進行探測。
“對于對流層高度大氣，我們可以使用氣象雷達和探空氣球來探測。在更高高度（熱層和電離層、磁層、行星際等），我們可以使用衛(wèi)星探測。但是，三十公里到一百公里高度的中高層大氣，主要以大氣分子為主，散射物很少，是探空氣球上不去、衛(wèi)星觀測下不來的探測盲區(qū)?！备]賢康指出，雖然發(fā)射攜帶探測儀器的探空火箭可以探測這部分空間，但探空火箭是單次測量，且探測成本高昂，無法做到長期觀測。因此，探測中高層大氣需要創(chuàng)新觀測手段。
激光雷達是中高層大氣探測的主要手段
激光雷達是中高層大氣探測的主要手段，能夠覆蓋從近地面到一百公里的中高層大氣。雷達利用目標對電磁波的散射過程來發(fā)現(xiàn)目標并獲得其特征信息。三十公里到一百公里高度中高層大氣的主體是純凈的大氣分子，其尺度與激光波長相當，可以用激光與大氣分子的相互作用對中高層大氣進行探測。
激光雷達探測中高層大氣的主要參數(shù)包括大氣密度、溫度和風場。其中，風場是中高層大氣最重要的動力學參數(shù)，是中高層大氣全球環(huán)流的直接體現(xiàn)，也是中高層大氣最難測的參數(shù)。精確的大氣風場探測對數(shù)值天氣預報、氣候模型改進、生化氣體監(jiān)控、機場風切變預警等具有重大意義。
竇賢康介紹風場測量的難度。如前所述，中高層大氣主要以大氣分子為主。由于大氣分子本身的熱運動，我們發(fā)射一束激光被大氣分子散射，散射激光頻譜會產(chǎn)生展寬。如果大氣分子隨風場運動，這個展寬的光譜就會產(chǎn)生頻移。對這個頻移量的精確測量可以估計大氣的風速。對頻移測量的主要技術難點是散射激光光譜展寬大、風場產(chǎn)生頻移量小以及被散射激光信號微弱。
國際上以及竇賢康團隊都在研究的一種解決方案是，使用“雙邊緣技術”檢測微小激光頻移，通過光學鑒頻器將微弱光信號的頻移轉(zhuǎn)化為信號強度的相對變化?！斑@個用處很大，可以有效探測高空的風場?！?br/>創(chuàng)新性利用量子探測技術提高激光雷達性能
實際上，全球風場測量還面臨以下挑戰(zhàn)：在激光功率、望遠鏡面積受限的條件下，大幅度提高探測信噪比；在基地、氣象站等人員密集場所保障人眼安全；在機載、星載平臺，克服強振動、溫差大等環(huán)境的干擾。
“激光雷達的性能提升中有兩個因素，一個是接收散射光子的望遠鏡口徑，一個是激光能量。由于高空大氣分子散射信號很弱，要提升激光雷達的性能，一方面要增大望遠鏡的口徑（面積），這就導致激光雷達尺度很大，造價很高，不利于在衛(wèi)星平臺工作；另一方要提升激光器能量，這會導致高功率激光燒壞光學鏡片等問題，這是星載激光雷達所面臨的技術難題?！备]賢康指出，除此以外，激光雷達還面臨另一個問題：白天由于陽光影響，可見光波段的激光雷達信號往往很差或者無法工作。
因此，他們創(chuàng)新思路，與潘建偉院士團隊張強等人合作，利用光量子探測技術，通過提高激光雷達探測的量子效率來提高激光雷達信噪比，而不需要增加激光能量或者望遠鏡口徑。
“過去，我們使用紅外激光進行大氣探測，紅外激光好處是大氣穿透性較強，受陽光影響小。但激光雷達對于大氣散射的紅外光子探測效率比較低。所以，我們和潘建偉院士團隊合作，利用單光子頻率上轉(zhuǎn)換技術，把大氣散射回來的紅外激光光子轉(zhuǎn)換成863納米的可見光光子，使用探測效率更高的硅探測器進行探測。這樣，可以有效提升激光雷達探測效率和性能?！?br/>近年來，他們通過攻關量子（單光子）頻率上轉(zhuǎn)換和全光纖激光雷達集成等一系列關鍵技術，在國際上首次建成單光子頻率上轉(zhuǎn)換量子測風激光雷達，該雷達突破了常溫下探測紅外單光子的量子效率極限，探測信噪比優(yōu)于傳統(tǒng)激光雷達3個數(shù)量級，為高精度、高時空分辨的中高層大氣探測奠定了基礎。
竇賢康團隊也在國際上首次實現(xiàn)基于超導納米線單光子探測器的測風激光雷達，獲得空間分辨率為10米、時間分辨率10秒的最高精度的風場探測。