窦贤康院士：用量子激光雷达解决中高层大气探测难题

中国科学院院士、武汉大学校长窦贤康
　　对于空间天气研究和预报有重要意义的中高层大气风场探测一直以来都面临困境——无法使用探空气球或卫星进行探测。不过，中国科学院院士、武汉大学校长窦贤康创新研发的量子激光雷达对此提供了有效解决方案。
近日，窦贤康在北京举行地“雁栖湖会议”上进行《量子探测技术在大气探测激光雷达中的应用》主题演讲，就相关研究进行具体介绍。
“雁栖湖会议”是中国科学院与北京市合作举办的高端国际学术交流活动，至今已举办四届。今年会议以“量子科学与技术前沿”为主题，聚焦量子科技领域的前沿重点问题，前瞻探讨量子科技未来发展的战略目标、方向和任务。
窦贤康长期从事中高层大气理论、观测与实验综合研究，独立自主研制了系列激光雷达观测系统，车载测风激光雷达系统填补了国内在该领域的空白，技术水平达到国际领先水平；国际上首次研制成功基于单光子频率上转化技术的量子激光雷达；并基于在观测设备上的开拓性工作，在中层顶区域大气动力学和光化学等领域的研究取得了系统性和创新性成果。
过去，中高层大气探测是比较大的难题
“空间物理研究的领域是太阳表面与地球表面之间的空间。”窦贤康介绍道，按照高度范围可分为中高层大气、热层和电离层、磁层、行星际空间。其中，中高层大气（十几公里到一两百公里）是地球中性大气向空间等离子体过渡关键节点。
日常生活我们遇到的雨、雪等天气现象都发生十公里以下大气中，为对流层；十至五十公里的大气以水平流动为主，为平流层；五十至九十公里的大气被称为中间层；九十公里高度以上是热层大气。平流层、中间层以及低热层大气构成了中高层大气的主要区域。
为什么要研究中高层大气？窦贤康举出一个例子，“对流层大气的密度变化幅度相对较小，虽然晴天雨天天气条件不同，但大气密度变化幅度往往仅在1%左右。相比较而言，中高层大气由于密度非常稀薄，很容易受到太阳爆发事件等扰动的影响产生剧烈变化。卫星轨道会受到密度变化的影响，如果无法准确观测和预测高空大气密度，卫星轨道预测就会非常困难。”
然而，由于缺乏观测手段，中高层大气的研究还不够充分。空间物理传统上主要关注电离层以上（高于一百公里），大气科学主要聚焦平流层以下（低于三十公里）。在三十到一百公里高度的中高层大气既无法利用卫星进行直接探测，也无法使用探空气球进行探测。
“对于对流层高度大气，我们可以使用气象雷达和探空气球来探测。在更高高度（热层和电离层、磁层、行星际等），我们可以使用卫星探测。但是，三十公里到一百公里高度的中高层大气，主要以大气分子为主，散射物很少，是探空气球上不去、卫星观测下不来的探测盲区。”窦贤康指出，虽然发射携带探测仪器的探空火箭可以探测这部分空间，但探空火箭是单次测量，且探测成本高昂，无法做到长期观测。因此，探测中高层大气需要创新观测手段。
激光雷达是中高层大气探测的主要手段
激光雷达是中高层大气探测的主要手段，能够覆盖从近地面到一百公里的中高层大气。雷达利用目标对电磁波的散射过程来发现目标并获得其特征信息。三十公里到一百公里高度中高层大气的主体是纯净的大气分子，其尺度与激光波长相当，可以用激光与大气分子的相互作用对中高层大气进行探测。
激光雷达探测中高层大气的主要参数包括大气密度、温度和风场。其中，风场是中高层大气最重要的动力学参数，是中高层大气全球环流的直接体现，也是中高层大气最难测的参数。精确的大气风场探测对数值天气预报、气候模型改进、生化气体监控、机场风切变预警等具有重大意义。
窦贤康介绍风场测量的难度。如前所述，中高层大气主要以大气分子为主。由于大气分子本身的热运动，我们发射一束激光被大气分子散射，散射激光频谱会产生展宽。如果大气分子随风场运动，这个展宽的光谱就会产生频移。对这个频移量的精确测量可以估计大气的风速。对频移测量的主要技术难点是散射激光光谱展宽大、风场产生频移量小以及被散射激光信号微弱。
国际上以及窦贤康团队都在研究的一种解决方案是，使用“双边缘技术”检测微小激光频移，通过光学鉴频器将微弱光信号的频移转化为信号强度的相对变化。“这个用处很大，可以有效探测高空的风场。”
创新性利用量子探测技术提高激光雷达性能
实际上，全球风场测量还面临以下挑战：在激光功率、望远镜面积受限的条件下，大幅度提高探测信噪比；在基地、气象站等人员密集场所保障人眼安全；在机载、星载平台，克服强振动、温差大等环境的干扰。
“激光雷达的性能提升中有两个因素，一个是接收散射光子的望远镜口径，一个是激光能量。由于高空大气分子散射信号很弱，要提升激光雷达的性能，一方面要增大望远镜的口径（面积），这就导致激光雷达尺度很大，造价很高，不利于在卫星平台工作；另一方要提升激光器能量，这会导致高功率激光烧坏光学镜片等问题，这是星载激光雷达所面临的技术难题。”窦贤康指出，除此以外，激光雷达还面临另一个问题：白天由于阳光影响，可见光波段的激光雷达信号往往很差或者无法工作。
因此，他们创新思路，与潘建伟院士团队张强等人合作，利用光量子探测技术，通过提高激光雷达探测的量子效率来提高激光雷达信噪比，而不需要增加激光能量或者望远镜口径。
“过去，我们使用红外激光进行大气探测，红外激光好处是大气穿透性较强，受阳光影响小。但激光雷达对于大气散射的红外光子探测效率比较低。所以，我们和潘建伟院士团队合作，利用单光子频率上转换技术，把大气散射回来的红外激光光子转换成863纳米的可见光光子，使用探测效率更高的硅探测器进行探测。这样，可以有效提升激光雷达探测效率和性能。”
近年来，他们通过攻关量子（单光子）频率上转换和全光纤激光雷达集成等一系列关键技术，在国际上首次建成单光子频率上转换量子测风激光雷达，该雷达突破了常温下探测红外单光子的量子效率极限，探测信噪比优于传统激光雷达3个数量级，为高精度、高时空分辨的中高层大气探测奠定了基础。
窦贤康团队也在国际上首次实现基于超导纳米线单光子探测器的测风激光雷达，获得空间分辨率为10米、时间分辨率10秒的最高精度的风场探测。

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