近日，
由浙大光電科學(xué)與工程學(xué)院、
寧波研究院劉東教授、劉崇教授團(tuán)隊
成功研制的國內(nèi)首臺
海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)
與自主研制的海洋彈性激光雷達(dá)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(xué)遙感探測機(jī)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(jìn)行了海試實驗。
寧波研究院周雨迪博士、
光電學(xué)院研究生徐沛拓、陳揚參與海試
央視新聞報道部分截圖
團(tuán)隊研制的國內(nèi)首臺
海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)
在此次海試實驗中
展現(xiàn)了其良好的可靠性和先進(jìn)性。
從上天到入海，
探索激光雷達(dá)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(tuán)隊研制的這臺海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)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(tuán)隊多年研究基礎(chǔ)設(shè)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(dá)系統(tǒng)
時針撥回2015年，那時團(tuán)隊的目光還聚焦于大氣激光雷達(dá)，特別是大氣高光譜分辨率激光雷達(dá)領(lǐng)域?！霸谝淮闻c國際同行的交流中，我們發(fā)現(xiàn)激光雷達(dá)不僅可以向天上探測，也可以對廣闊的海洋進(jìn)行觀測。”劉東直言，盡管當(dāng)前海洋激光雷達(dá)在國內(nèi)技術(shù)積累相對較弱，但國際上已證明了其在海洋生物地球化學(xué)、漁業(yè)、島礁地形等領(lǐng)域的巨大潛力。也是從這個時候起，團(tuán)隊萌發(fā)出了激光雷達(dá)的“海洋夢”，希望能夠抓住這次拓展技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域、踐行海洋強(qiáng)國國家戰(zhàn)略的機(jī)遇。
從大氣到海洋，這個嘗試并不容易。技術(shù)難度高、研制成本貴、實驗條件受限，是擺在團(tuán)隊面前的“三座大山”，層層推進(jìn)對于團(tuán)隊來說是當(dāng)時最好的選擇。
“我們最開始沒有直接將技術(shù)難度最大的高光譜分辨率激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于海洋，而是遵循技術(shù)發(fā)展規(guī)律先研制了一套海洋彈性激光雷達(dá)”。經(jīng)過多次海試實驗，其可靠性得到了驗證。然而，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)這種激光雷達(dá)限制很大，最主要的原因就是它的探測精度較低。在大氣領(lǐng)域，一個很好的解決方案就是采用高光譜分辨率激光雷達(dá)技術(shù)，那么在海洋中可不可以采用這種方案呢？至此，團(tuán)隊對于海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)的研究，正式揭開序幕。
團(tuán)隊研制的海洋彈性激光雷達(dá)系統(tǒng)
2017年，團(tuán)隊發(fā)表了首篇關(guān)于海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)的期刊論文，并在隨后不斷地論證這種技術(shù)的可行性。此外，團(tuán)隊對于海洋彈性激光雷達(dá)的研制經(jīng)驗和大氣高光譜分辨率激光雷達(dá)的研制經(jīng)驗為海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)的研制提供了很好的研究基礎(chǔ)?！?019年，我們認(rèn)為理論和技術(shù)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(dá)系統(tǒng)，包括各個模塊設(shè)備的初期調(diào)研、設(shè)計、加工、采購、模塊組裝、模塊測試以及整體的組裝及測試?！庇辛饲捌诘睦碚摵蛯嵺`基礎(chǔ)，經(jīng)過一年多的時間，團(tuán)隊順利研制出國內(nèi)首臺海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)。
走出“溫室”直面海洋，
克服重重困難
把儀器當(dāng)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(dá)的過程中，浙大團(tuán)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(fēng)、海浪，具有很強(qiáng)的腐蝕性，而我們的儀器中又有大量的光學(xué)件、電路，如何確保儀器在環(huán)境復(fù)雜的海上正常使用，這對團(tuán)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(tuán)隊提前做好了一系列的預(yù)案。
海洋環(huán)境的特殊性要求儀器的防護(hù)設(shè)計比一般的戶外儀器更加嚴(yán)苛，不僅需要防水、耐高溫，還需要防腐蝕。對此，團(tuán)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(tuán)隊都做了足夠的防護(hù)。尤其是儀器上下兩個部分銜接的地方，團(tuán)隊還采用了特殊的設(shè)計，并進(jìn)行了反復(fù)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(tuán)隊也進(jìn)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(hù)。
光電檢測與遙感研究團(tuán)隊成員參與海試實驗
小到機(jī)械件的配合問題，大到技術(shù)上的硬性問題，除了要克服海洋實驗環(huán)境的特殊性，團(tuán)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(tuán)隊選擇的技術(shù)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(dá)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(fù)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(tuán)隊成員陳揚分享道：“經(jīng)過多次的討論和反復(fù)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(fù)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?！霸谘兄破陂g，團(tuán)隊每個人都有自己的職責(zé)，涵蓋了原理研究、技術(shù)攻關(guān)、任務(wù)統(tǒng)籌、進(jìn)度跟進(jìn)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(tuán)隊成員徐沛拓說。
探測數(shù)據(jù)精度更高，
助力“海洋強(qiáng)國”
“海洋事業(yè)關(guān)系民族生存發(fā)展?fàn)顟B(tài)，關(guān)系國家興衰安危?！秉h的十八大以來，習(xí)近平總書記多次在講話中談及海洋強(qiáng)國建設(shè)，重視海洋事業(yè)發(fā)展。浙大研究團(tuán)隊也在為建設(shè)“海洋強(qiáng)國”不斷貢獻(xiàn)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(tuán)隊研制的海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)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(dá)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(jìn)性。
海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)首次海試實驗
那么，相較于當(dāng)前常見的海洋彈性激光雷達(dá)，海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)的優(yōu)越性有哪些呢？
精度更高，這是團(tuán)隊給出的回答。
“彈性激光雷達(dá)的一個信號里包含了兩個未知光學(xué)量，我們都知道一個方程兩個未知數(shù)，沒有辦法進(jìn)行求解?！眲|解釋道，“科學(xué)家們需要借助假設(shè)來求出這兩個未知數(shù)，那么顯然這個假設(shè)就會影響求解的精度?！倍Ｑ蟾吖庾V分辨率激光雷達(dá)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?！翱刹灰】戳诉@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(guān)?！?br/>而幫助科學(xué)家更準(zhǔn)確地探測海洋浮游植物正是海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)未來的應(yīng)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粯樱∮沃参锞褪呛Ｉ系摹安菰?，它們貢獻(xiàn)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(tuán)隊也在參與國家的機(jī)載和星載海洋激光雷達(dá)項目，希望推動高光譜分辨率激光雷達(dá)搭載飛機(jī)平臺和衛(wèi)星平臺，進(jìn)行更加高效、更大面積的海洋探測。