應(yīng)用生成對抗網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的非視域風(fēng)場重建激光雷達(dá)在廣州白云機(jī)場投入試運(yùn)行。受訪者供圖
◎本報記者 張曄 通訊員 林雯
風(fēng)切變是指風(fēng)向和風(fēng)速突然發(fā)生劇烈改變,被稱為“飛行安全的殺手”。國際航空界公認(rèn),低空風(fēng)切變是飛機(jī)起飛和著陸階段一個重要危險因素。
近日,南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院夏海云課題組成功研制出一種30千米全天候非視域多功能激光雷達(dá),能準(zhǔn)確探測出風(fēng)切變等特殊大氣現(xiàn)象。它的最大水平探測半徑和垂直探測高度分別達(dá)到30千米和7千米,為全球領(lǐng)先水平。
該雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)全天候多大氣參數(shù)遙感探測,通過應(yīng)用納米材料和人工智能技術(shù),在惡劣天氣、建筑物阻擋等情況下也可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)探測。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際期刊《遙感》和《光學(xué)快訊》。
納米材料增強(qiáng)激光雷達(dá)“視力”
風(fēng)切變、晴空湍流都是特殊的大氣現(xiàn)象,它們有一個讓各國飛行員畏懼的綽號——“隱形殺手”。這些特殊大氣現(xiàn)象的存在,嚴(yán)重影響民航飛機(jī)飛行安全。
激光雷達(dá)的出現(xiàn),為解決這些難題提供了目前技術(shù)水平下的最優(yōu)方案。
夏海云介紹,激光雷達(dá)已發(fā)展半個多世紀(jì)。其基本原理是:出射激光脈沖與大氣相互作用,采用光學(xué)天線收集大氣后向散射信號,然后輸入光學(xué)接收機(jī),經(jīng)光電探測和數(shù)據(jù)處理后,得出一系列關(guān)鍵大氣參數(shù)。目前,激光雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于多種探測任務(wù),如氣溶膠濃度、PM2.5值、云高、溫度、濕度、能見度、大氣成分(如水汽、各種污染氣體成分)等。但由于探測能力有限,傳統(tǒng)測風(fēng)激光雷達(dá)仍難以適應(yīng)各種復(fù)雜惡劣天氣條件下的風(fēng)切變探測。測風(fēng)激光雷達(dá)研究也因此被世界氣象組織列為最具挑戰(zhàn)性的激光雷達(dá)研究。
“通常情況下,當(dāng)遭遇降雨、大霧等低能見度條件時,激光雷達(dá)性能會受到限制,無法滿足工作需求。測風(fēng)激光雷達(dá)多用于航空氣象、交通氣象、環(huán)保監(jiān)測、應(yīng)急管理等場景,一旦探測準(zhǔn)確性下降,將極大地影響行業(yè)安全?!毕暮T平忉屨f。
夏海云說,比如在降雨時,激光雷達(dá)的玻璃鏡面會沾上雨水。如果是下毛毛雨的情況,激光雷達(dá)就像人戴著眼鏡進(jìn)浴室一般,眼鏡起霧,視野模糊;如果雨量較大,激光雷達(dá)的鏡面又會變得不平整,影響準(zhǔn)直效果。
夏海云課題組通過江蘇菲沃泰納米科技股份有限公司研制的納米結(jié)構(gòu),在玻璃鏡面上做了一層疏水疏油材料,使得油污、水滴難以積聚在鏡片上,激光能夠順利發(fā)射出去?!斑@層納米材料可抗600次擦拭,按一周擦拭一次計算可使用10年。”夏海云說。
云南昆明長水機(jī)場受印度洋暖濕氣流影響,是我國西南地區(qū)風(fēng)切變發(fā)生概率最高的機(jī)場。2021年12月,夏海云課題組研制的激光雷達(dá)在長水機(jī)場投入試運(yùn)行。
9個月的觀測統(tǒng)計結(jié)果顯示:在降雨條件下,激光雷達(dá)10千米以上目標(biāo)的探測率達(dá)到了92.79%,有效覆蓋了機(jī)場跑道。在實(shí)際驗(yàn)證中,激光雷達(dá)還可以捕捉到對流天氣產(chǎn)生的輻合和輻散氣流。
課題組通過與微波雷達(dá)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn),微波雷達(dá)可以探測強(qiáng)降雨區(qū)域,距離分辨率達(dá)1000米;而該激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)降雨外區(qū)域探測,距離分辨率為30—150米,風(fēng)切變時空分布和演變過程清晰可見。課題組還利用該激光雷達(dá)進(jìn)行垂直廓線探測,揭示了機(jī)場降水和風(fēng)切變形成的機(jī)制,為航空氣象極端事件預(yù)報奠定基礎(chǔ)。
人工智能描繪超視域風(fēng)場
在實(shí)際應(yīng)用中,激光雷達(dá)像人眼一樣,會因?yàn)榻ㄖ?、樹木、煙塵的阻擋,產(chǎn)生探測盲區(qū)。
為了解決激光雷達(dá)“看不見”“照不到”的問題,課題組將人工智能技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)。他們借助人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)建立風(fēng)場反演模型,提供全域高時空分辨率探測數(shù)據(jù)。
“風(fēng)場是流動的,就像一條大河。雖然有一部分風(fēng)場會被建筑物或自然地形阻擋,但我們可以通過流體力學(xué)的辦法,計算高樓等阻擋物后面的風(fēng)場結(jié)構(gòu)。在視線受阻,無法探測的情況下,我們在國際上率先實(shí)現(xiàn)了風(fēng)場的全區(qū)域測量和重建?!毕暮T普f,這種人工智能技術(shù)以前多用于不完整的圖片修復(fù)等,在多普勒激光雷達(dá)上還是第一次應(yīng)用。
2023年1月起,應(yīng)用了生成對抗網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的非視域風(fēng)場重建激光雷達(dá)在廣州白云機(jī)場投入試運(yùn)行。由于機(jī)場塔臺、航站樓和圍欄等低空建筑物的遮擋,廣州白云機(jī)場跑道缺乏完整的水平風(fēng)場探測數(shù)據(jù)。課題組通過輸入機(jī)場周邊的大氣資料,讓雷達(dá)邊測邊學(xué)。
基于深度學(xué)習(xí)方法,該雷達(dá)在連續(xù)6個月的觀測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,建立了非視域風(fēng)場重建模型,實(shí)現(xiàn)全域風(fēng)場重建,誤差小于0.85米/秒。
夏海云介紹,這款雷達(dá)采用了單光子靈敏度探測技術(shù),發(fā)射功率只有1.5瓦,發(fā)熱量小,對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),可對60攝氏度至零下40攝氏度的大氣環(huán)境進(jìn)行24小時365天不間斷工作。無論是在城市的高樓大廈之間,還是在崎嶇的自然地形中,激光雷達(dá)都能準(zhǔn)確獲得高時空分辨率全域風(fēng)場情況,為低空經(jīng)濟(jì)提供實(shí)時精準(zhǔn)的氣象保障。
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