窦先康院士：利用量子激光雷达解决中高层大气探测问题

记者 刘航

杜先康，中国科学院院士、武汉大学校长

探测对空间天气研究和预报很重要的中高层大气风场一直很困难——空中探测器或卫星无法探测到。然而，由中国科学院院士、武汉大学校长杜祥康开发的量子激光雷达提供了一个有效的解决方案。

近日，窦先康在北京"人居湖大会"上就"量子探测技术在大气探测激光雷达中的应用"发表了主题演讲，并对相关研究做了具体介绍。

"玉极湖会议"是由中国科学院与北京合作举办的高端国际学术交流盛会，至今已举办四届。今年的会议以"量子科技前沿"为主题，聚焦量子科技前沿，探讨未来量子科技的战略目标、方向和任务。

窦祥康长期从事中上层大气理论的综合研究、观测和实验，自主研发了一系列激光雷达观测系统，机载风力探测激光雷达系统填补了这一领域的空白，技术水平达到国际领先水平;

过去，中高层大气的探测是一个很大的问题

"空间物理学领域是太阳表面和地球表面之间的空间。根据高度范围，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）是地球中性大气层向空间等离子体过渡的关键节点。

我们在日常生活中遇到的雨、雪等天气现象，都发生在10公里以下的大气中，即落差;平流层、中层和低热大气构成了中层和高层大气的主要区域。

为什么要研究高层大气？窦向康举例说，"对流层大气的密度变化比较小，虽然晴雨天气条件不同，但大气密度变化往往只有1%左右。相比之下，上层和中层大气由于其非常薄的密度和太阳喷发等干扰而容易受到剧烈变化的影响。卫星轨道受到密度变化的影响，如果没有准确的观测和预测，就很难预测高空大气的密度。"

然而，由于缺乏观测手段，对上层和中层大气的研究是不够的。空间物理学传统上集中在电离层以上（100公里以上），大气科学主要集中在平流层以下（小于30公里）。高度为30至100公里的中高层大气无法通过卫星或空气探测球直接探测到。

"对于溶水层高的大气层，我们可以使用天气雷达和空气探测球来探测它们。在更高的高度（热层和电离层，磁层，行星际等），我们可以使用卫星探测。然而，高30公里至100公里的中上大气以大气分子为主，散射极少，是空气球体或卫星观测无法探测到的探测盲点。窦贤康指出，虽然发射的探空火箭携带探测仪器可以探测到这部分空间，但探空火箭是单一测量，而且探测成本高，无法实现长期观测。因此，探测上层和中层大气需要创新的观测方法。

激光雷达是中高层大气探测的主要手段

激光雷达是中上层大气探测的主要手段，可以覆盖从近地面到100公里的中上层大气。雷达利用目标的电磁波散射过程来查找目标并获取其特征信息。在30公里至100公里的高度，中上大气的主体是纯大气分子，其尺度与激光波长相当，中上大气可以通过激光与大气分子的相互作用来探测。

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，风场是上层和中层大气最重要的动态参数，是上层和中层大气全球环流的直接体现，也是上层和中层大气最难的参数。准确的大气风场探测对于数值天气预报、气候模型改进、生化气体监测、机场风切变预警等具有重要意义。

窦先康介绍了风场测量的难点。如前所述，上层和中层大气以大气分子为主。由于大气分子本身的热运动，我们发射出由大气分子散射的激光束，散射激光光谱将扩大。如果大气分子随风场移动，这种宽光谱会产生频移。精确测量这种频移可以估计大气的风速。频移测量的主要技术难点是散射激光光谱的广度、风场产生的频移小、散射激光的微弱信号。

窦向康团队正在国际上研究的一个解决方案是使用"双刃技术"来检测微小的激光频移，并通过光学倍频程将弱光信号的频移转换为信号强度的相对变化。"探测高海拔地区的风场非常有用。

创新应用量子探测技术提高激光雷达性能

事实上，全球风场测量也面临着以下挑战：在激光功率和望远镜区域有限的条件下，大大提高探测信噪比，确保基地、气象站等人口稠密场所人眼的安全，克服机载和机载平台强烈振动和大温差的干扰。

"激光雷达的性能提升有两个因素，一个是接收散射光子的望远镜的直径，另一个是激光能量。由于高空大气分子散射信号非常弱，为了提高激光雷达的性能，一方面要增加望远镜的直径（面积），导致激光雷达规模大，成本高，不利于在卫星平台上工作;此外，激光雷达还面临着另一个问题：由于阳光，可见光波段的激光雷达信号往往很差，或者白天无法操作，窦先生说。

因此，他们创新思路，潘建伟院士张强等人团队，利用光的量子探测技术，提高激光雷达探测的量子效率，提高激光雷达的信噪比，同时不增加激光能量或望远镜直径。

"过去，我们使用红外激光进行大气探索，红外激光的优势在于它们更具穿透力，受阳光的影响更小。然而，激光雷达在探测散射在大气中的红外光子方面的效率较低。因此，我们和潘建伟团队，利用单光子变频技术，将大气中散射回红外激光光子变成863纳米的可见光子，采用更高效的硅探测器进行检测。这样，激光雷达的检测效率和性能就可以得到有效提升。"

近年来，通过量子（单光子）频率转换和全光纤激光雷达集成等一系列关键技术，他们构建了世界上首次在单光子频率下进行量子风力测量激光雷达，突破了在室温下检测红外单音的量子效率极限，检测信噪比优于传统激光雷达3个数量级， 这为高精度、高时空分辨率的中上大气探测奠定了基础。

窦贤康团队还实现了国际上第一台基于超导纳米线单光子探测器的风力激光雷达，获得了10米、10秒时间分辨率最高的风场探测精度。

负责编辑：李跃群

校对：刘伟