新型激光雷达：清除飞行中的“隐形杀手”

风切变是指风向和风速突然发生剧烈改变，被称为“飞行安全的杀手”。国际航空界公认，低空风切变是飞机起飞和着陆阶段一个重要危险因素。

近日，南京信息工程大学大气物理学院夏海云课题组成功研制出一种30千米全天候非视域多功能激光雷达，能准确探测出风切变等特殊大气现象。它的最大水平探测半径和垂直探测高度分别达到30千米和7千米，为全球领先水平。

该雷达可实现全天候多大气参数遥感探测，通过应用纳米材料和人工智能技术，在恶劣天气、建筑物阻挡等情况下也可实现精准探测。相关研究成果发表于国际期刊《遥感》和《光学快讯》。

纳米材料增强激光雷达“视力”

风切变、晴空湍流都是特殊的大气现象，它们有一个让各国飞行员畏惧的绰号——“隐形杀手”。这些特殊大气现象的存在，严重影响民航飞机飞行安全。

激光雷达的出现，为解决这些难题提供了目前技术水平下的最优方案。

夏海云介绍，激光雷达已发展半个多世纪。其基本原理是：出射激光脉冲与大气相互作用，采用光学天线收集大气后向散射信号，然后输入光学接收机，经光电探测和数据处理后，得出一系列关键大气参数。目前，激光雷达已广泛应用于多种探测任务，如气溶胶浓度、PM2.5值、云高、温度、湿度、能见度、大气成分（如水汽、各种污染气体成分）等。但由于探测能力有限，传统测风激光雷达仍难以适应各种复杂恶劣天气条件下的风切变探测。测风激光雷达研究也因此被世界气象组织列为最具挑战性的激光雷达研究。

“通常情况下，当遭遇降雨、大雾等低能见度条件时，激光雷达性能会受到限制，无法满足工作需求。测风激光雷达多用于航空气象、交通气象、环保监测、应急管理等场景，一旦探测准确性下降，将极大地影响行业安全。” 夏海云解释说。

夏海云说，比如在降雨时，激光雷达的玻璃镜面会沾上雨水。如果是下毛毛雨的情况，激光雷达就像人戴着眼镜进浴室一般，眼镜起雾，视野模糊；如果雨量较大，激光雷达的镜面又会变得不平整，影响准直效果。

夏海云课题组通过江苏菲沃泰纳米科技股份有限公司研制的纳米结构，在玻璃镜面上做了一层疏水疏油材料，使得油污、水滴难以积聚在镜片上，激光能够顺利发射出去。“这层纳米材料可抗600次擦拭，按一周擦拭一次计算可使用10年。” 夏海云说。

云南昆明长水机场受印度洋暖湿气流影响，是我国西南地区风切变发生概率最高的机场。2021年12月，夏海云课题组研制的激光雷达在长水机场投入试运行。

9个月的观测统计结果显示：在降雨条件下，激光雷达10千米以上目标的探测率达到了92.79%， 有效覆盖了机场跑道。在实际验证中，激光雷达还可以捕捉到对流天气产生的辐合和辐散气流。

课题组通过与微波雷达进行对比发现，微波雷达可以探测强降雨区域，距离分辨率达1000米；而该激光雷达可以实现强降雨外区域探测，距离分辨率为30—150米，风切变时空分布和演变过程清晰可见。课题组还利用该激光雷达进行垂直廓线探测，揭示了机场降水和风切变形成的机制，为航空气象极端事件预报奠定基础。

人工智能描绘超视域风场

在实际应用中，激光雷达像人眼一样，会因为建筑、树木、烟尘的阻挡，产生探测盲区。

为了解决激光雷达“看不见”“照不到”的问题，课题组将人工智能技术应用于雷达系统。他们借助人工智能的机器学习技术建立风场反演模型，提供全域高时空分辨率探测数据。

“风场是流动的，就像一条大河。虽然有一部分风场会被建筑物或自然地形阻挡，但我们可以通过流体力学的办法，计算高楼等阻挡物后面的风场结构。在视线受阻，无法探测的情况下，我们在国际上率先实现了风场的全区域测量和重建。” 夏海云说，这种人工智能技术以前多用于不完整的图片修复等，在多普勒激光雷达上还是第一次应用。

2023年1月起，应用了生成对抗网络技术的非视域风场重建激光雷达在广州白云机场投入试运行。由于机场塔台、航站楼和围栏等低空建筑物的遮挡，广州白云机场跑道缺乏完整的水平风场探测数据。课题组通过输入机场周边的大气资料，让雷达边测边学。

基于深度学习方法，该雷达在连续6个月的观测数据基础上，建立了非视域风场重建模型，实现全域风场重建，误差小于0.85米/秒。

夏海云介绍，这款雷达采用了单光子灵敏度探测技术，发射功率只有1.5瓦，发热量小，对环境适应能力强，可对60摄氏度至零下40摄氏度的大气环境进行24小时365天不间断工作。无论是在城市的高楼大厦之间，还是在崎岖的自然地形中，激光雷达都能准确获得高时空分辨率全域风场情况，为低空经济提供实时精准的气象保障。