浙大团队成功研制国内首台海洋高光谱分辨率激光雷达

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浙江大学


近日,


由浙大光电科学与工程学院、


宁波研究院刘东教授、刘崇教授团队


成功研制的国内首台


海洋高光谱分辨率激光雷达


与自主研制的海洋弹性激光雷达系统


一起参加自然资源部第二海洋研究所


组织的国家重点研发计划项目


“海洋光学遥感探测机理与模型研究”航次,


搭载于“润江一号”科考船,


在中国东海和南海进行了海试实验。


宁波研究院周雨迪博士、


光电学院研究生徐沛拓、陈扬参与海试


央视新闻报道部分截图


团队研制的国内首台


海洋高光谱分辨率激光雷达


在此次海试实验中


展现了其良好的可靠性和先进性。


从上天到入海,


探索激光雷达的“海洋梦”


长1.5米、宽0.7米、高2米,重量约300千克,如果你初次见到浙大团队研制的这台海洋高光谱分辨率激光雷达系统,或许会被它庞大的体积所吸引。而也是在这个庞大的外形之下,隐藏着基于团队多年研究基础设计而成的一系列高精密部件和附加件。


时针拨回2015年,那时团队的目光还聚焦于大气激光雷达,特别是大气高光谱分辨率激光雷达领域。“在一次与国际同行的交流中,我们发现激光雷达不仅可以向天上探测,也可以对广阔的海洋进行观测。”刘东直言,尽管当前海洋激光雷达在国内技术积累相对较弱,但国际上已证明了其在海洋生物地球化学、渔业、岛礁地形等领域的巨大潜力。也是从这个时候起,团队萌发出了激光雷达的“海洋梦”,希望能够抓住这次拓展技术应用领域、践行海洋强国国家战略的机遇。


从大气到海洋,这个尝试并不容易。技术难度高、研制成本贵、实验条件受限,是摆在团队面前的“三座大山”,层层推进对于团队来说是当时最好的选择。


“我们最开始没有直接将技术难度最大的高光谱分辨率激光雷达技术应用于海洋,而是遵循技术发展规律先研制了一套海洋弹性激光雷达”。经过多次海试实验,其可靠性得到了验证。然而,团队发现这种激光雷达限制很大,最主要的原因就是它的探测精度较低。在大气领域,一个很好的解决方案就是采用高光谱分辨率激光雷达技术,那么在海洋中可不可以采用这种方案呢?至此,团队对于海洋高光谱分辨率激光雷达的研究,正式揭开序幕。


2017年,团队发表了首篇关于海洋高光谱分辨率激光雷达的期刊论文,并在随后不断地论证这种技术的可行性。此外,团队对于海洋弹性激光雷达的研制经验和大气高光谱分辨率激光雷达的研制经验为海洋高光谱分辨率激光雷达的研制提供了很好的研究基础。“2019年,我们认为理论和技术都已经成熟了,就正式开始研制海洋高光谱分辨率激光雷达系统,包括各个模块设备的初期调研、设计、加工、采购、模块组装、模块测试以及整体的组装及测试。”有了前期的理论和实践基础,经过一年多的时间,团队顺利研制出国内首台海洋高光谱分辨率激光雷达系统。


走出“温室”直面海洋,


克服重重困难


把仪器当作自己的孩子,是很多科研工作者共同的经历。很多精密的仪器都需要在实验室的“温室”里工作,受不得半点“委屈”。一旦温度不适宜或是有一点震动,或许她们就会闹脾气不工作了。但在研制海洋高光谱分辨率激光雷达的过程中,浙大团队却面临着一个巨大的考验——让仪器走出“温室”,接受大海的考验。


“海上实验环境伴随着大量高盐高湿的海风、海浪,具有很强的腐蚀性,而我们的仪器中又有大量的光学件、电路,如何确保仪器在环境复杂的海上正常使用,这对团队提出了很大的挑战,”刘东说,“海洋环境的不确定性,要求我们必须考虑得更多”。面对可能存在的问题,团队提前做好了一系列的预案。


海洋环境的特殊性要求仪器的防护设计比一般的户外仪器更加严苛,不仅需要防水、耐高温,还需要防腐蚀。对此,团队不放过任何可能出现问题的地方。从仪器的外壳、各类接口包括部分裸露在外的器件,团队都做了足够的防护。尤其是仪器上下两个部分衔接的地方,团队还采用了特殊的设计,并进行了反复的测试、修正。与此同时,为防止意外泄漏,在内部器件的选取上,团队也进行了大量的调研,尽量选择能够抗腐蚀的器件,或是额外增加一层防护。


小到机械件的配合问题,大到技术上的硬性问题,除了要克服海洋实验环境的特殊性,团队在仪器研制过程中还遇到了无数大大小小的挑战。如何有效安装仪器的核心部件超窄带光谱鉴频器就是其中之一。


团队选择的技术路线是一个国际上鲜有报道的多通道碘池鉴频器,这个部件需要加热到一定温度,并达到0.1℃的温控精度才能正常运作。还要确保其能够承受运输的振动环境和实验过程中的未知环境,可以说是一个不小的挑战。


没有前人的经验就一步步尝试并积累经验。经过反复调研,一种可实现的高精度温控方式以及可靠的固定方式终于出现。团队成员陈扬分享道:“经过多次的讨论和反复论证,碘池鉴频器在安装时非常顺利,且在实际的使用中没有后续问题”。


回顾研制这样一台大型的、复杂的仪器的过程,成员们提及最多的就是彼此之间默契的配合与良好的沟通。“在研制期间,团队每个人都有自己的职责,涵盖了原理研究、技术攻关、任务统筹、进度跟进等方方面面。在默契的配合中,我们逐步攻克一个又一个难题”。团队成员徐沛拓说。


探测数据精度更高,


助力“海洋强国”


“海洋事业关系民族生存发展状态,关系国家兴衰安危。”党的十八大以来,习近平总书记多次在讲话中谈及海洋强国建设,重视海洋事业发展。浙大研究团队也在为建设“海洋强国”不断贡献着自己的力量。


从东海到南海,在此次近半个月的海试过程中,团队研制的海洋高光谱分辨率激光雷达所获取的走航数据和大量的固定站点数据,通过与同步探测的海洋弹性激光雷达系统以及原位仪器的初步对比,展现了其良好的可靠性和先进性。


那么,相较于当前常见的海洋弹性激光雷达,海洋高光谱分辨率激光雷达的优越性有哪些呢?


精度更高,这是团队给出的回答。


“弹性激光雷达的一个信号里包含了两个未知光学量,我们都知道一个方程两个未知数,没有办法进行求解。”刘东解释道,“科学家们需要借助假设来求出这两个未知数,那么显然这个假设就会影响求解的精度。”而海洋高光谱分辨率激光雷达则采用了超窄带光谱鉴频器来额外增加了一路分子通道信号。


从一个方程两个未知数变为两个方程两个未知数,方程可轻易求解。而解出这两个未知数,我们就能够得到一个新的参数,就是这两个未知数的比值。“可不要小看了这个比值,它的大小与水体悬浮物种类、浮游植物的光合作用密切相关。”


而帮助科学家更准确地探测海洋浮游植物正是海洋高光谱分辨率激光雷达未来的应用前景之一。“这些小小的浮游植物,其实有着大大的梦想。”正如陆地上的大草原一样,浮游植物就是海上的“草原”,它们贡献了全球一半的净初级生产力。刘东指出,“这意味着光合作用固定下来的能量有一半来源于陆地上的植物,而另一半就是海洋中的浮游植物,未来我们还能不能吃到便宜的海鲜可是全指望它了。”


据悉,目前团队也在参与国家的机载和星载海洋激光雷达项目,希望推动高光谱分辨率激光雷达搭载飞机平台和卫星平台,进行更加高效、更大面积的海洋探测。


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