日前記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校地球和空間科學(xué)學(xué)院教授薛向輝團隊在相干測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)研制方面取得重大突破，首次實現(xiàn)空間分辨率3米、時間分辨率0.1秒的風(fēng)場探測。據(jù)悉，這是迄今為止有報道的全球最高精度的風(fēng)場連續(xù)探測。相關(guān)成果發(fā)表在國際知名光學(xué)期刊《光學(xué)快報》。

測風(fēng)激光雷達(dá)的封裝樣機 課題組供圖

米級-亞秒級分辨率的大氣風(fēng)場探測在航空航天安全、高價值目標(biāo)保障、數(shù)值天氣預(yù)報等方面具有重大意義，但高時空分辨的連續(xù)風(fēng)場觀測對激光雷達(dá)仍是一個挑戰(zhàn)。比如，為獲取3米和0.1秒時空分辨率的風(fēng)場觀測結(jié)果，需要將現(xiàn)有激光雷達(dá)信號檢測靈敏度提高2個數(shù)量級以上。

為了實現(xiàn)“看的遠(yuǎn)、看的細(xì)，測的快、測的準(zhǔn)”的高時空分辨測風(fēng)激光雷達(dá)，團隊通過在激光光源、光學(xué)收發(fā)系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)采集電路和數(shù)據(jù)處理算法上對激光雷達(dá)進(jìn)行全面優(yōu)化，并在時頻分析、脈沖編碼基礎(chǔ)上提出一種新的反演算法，大大提高了風(fēng)場反演精度和穩(wěn)健性，最終實現(xiàn)了一套全國產(chǎn)化的“產(chǎn)品級”測試樣機。

圖1 3米距離分辨率相干測風(fēng)雷達(dá)實驗裝置：(a)實驗裝置實物；(b)白天觀測；(c)夜間觀測；(d)光學(xué)系統(tǒng)及電路控制示意圖；(e)連續(xù)5分鐘觀測的陣風(fēng)結(jié)構(gòu)圖（時間分辨率為1秒）。

圖2 高鐵尾流風(fēng)場結(jié)構(gòu)觀測及模擬結(jié)果：(a)雷達(dá)觀測的0.1秒分辨率尾流中風(fēng)場結(jié)構(gòu)圖；(b)基于CCM+模擬的300km/h運行列車的尾流風(fēng)場結(jié)構(gòu)。

據(jù)介紹，雷達(dá)樣機工作波長為1550.1納米，具有人眼安全、設(shè)備輕便（整裝設(shè)備40公斤）、工作穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強等特點。通過外場對比試驗，該雷達(dá)樣機風(fēng)場觀測結(jié)果與定標(biāo)設(shè)備對比誤差小于0.5米每秒。

為進(jìn)一步測試?yán)走_(dá)觀測性能和環(huán)境適應(yīng)性，團隊在安徽省宿州市高鐵站實地測量了高速列車尾流中的風(fēng)場結(jié)構(gòu)。雷達(dá)在無人值守下連續(xù)穩(wěn)定工作超過100小時，獲得了3米和0.1秒高時空分辨率下的350公里每小時的高鐵尾流連續(xù)觀測，并首次利用激光雷達(dá)捕捉到高鐵尾流中類似于馮卡門渦街的風(fēng)場結(jié)構(gòu)，與計算流體力學(xué)模擬結(jié)果高度一致。

審稿人認(rèn)為，“觀測結(jié)果是引人注目和印象深刻的”、“迄今為止首次實現(xiàn)連續(xù)觀測的高分辨率結(jié)果”。

(新安晚報 安徽網(wǎng) 大皖新聞記者 陳牧)