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解決方案

浙大團隊成功研製國內首台海洋高光譜分辨率激光雷達!

星之球科技 來源:澎湃新聞·澎湃號·政務2020-10-11 我要評論(0 )   

近日,由浙大光電科學與(yu) 工程學院、寧波研究院劉東(dong) 教授、劉崇教授團隊成功研製的國內(nei) 首台海洋高光譜分辨率激光雷達與(yu) 自主研製的海洋彈性激光雷達係統一起參加自然資源部...

近日,
由浙大光電科學與(yu) 工程學院、
寧波研究院劉東(dong) 教授、劉崇教授團隊
成功研製的國內(nei) 首台
海洋高光譜分辨率激光雷達
與(yu) 自主研製的海洋彈性激光雷達係統
一起參加自然資源部第二海洋研究所
組織的國家重點研發計劃項目
“海洋光學遙感探測機理與(yu) 模型研究”航次,
搭載於(yu) “潤江一號”科考船,
在中國東(dong) 海和南海進行了海試實驗。
寧波研究院周雨迪博士、
光電學院研究生徐沛拓、陳揚參與(yu) 海試
央視新聞報道部分截圖
團隊研製的國內(nei) 首台
海洋高光譜分辨率激光雷達
在此次海試實驗中
展現了其良好的可靠性和先進性。
從(cong) 上天到入海,
探索激光雷達的“海洋夢”
長1.5米、寬0.7米、高2米,重量約300千克,如果你初次見到浙大團隊研製的這台海洋高光譜分辨率激光雷達係統,或許會(hui) 被它龐大的體(ti) 積所吸引。而也是在這個(ge) 龐大的外形之下,隱藏著基於(yu) 團隊多年研究基礎設計而成的一係列高精密部件和附加件。
海洋高光譜分辨率激光雷達係統
時針撥回2015年,那時團隊的目光還聚焦於(yu) 大氣激光雷達,特別是大氣高光譜分辨率激光雷達領域。“在一次與(yu) 國際同行的交流中,我們(men) 發現激光雷達不僅(jin) 可以向天上探測,也可以對廣闊的海洋進行觀測。”劉東(dong) 直言,盡管當前海洋激光雷達在國內(nei) 技術積累相對較弱,但國際上已證明了其在海洋生物地球化學、漁業(ye) 、島礁地形等領域的巨大潛力。也是從(cong) 這個(ge) 時候起,團隊萌發出了激光雷達的“海洋夢”,希望能夠抓住這次拓展技術應用領域、踐行海洋強國國家戰略的機遇。
從(cong) 大氣到海洋,這個(ge) 嚐試並不容易。技術難度高、研製成本貴、實驗條件受限,是擺在團隊麵前的“三座大山”,層層推進對於(yu) 團隊來說是當時最好的選擇。
“我們(men) 最開始沒有直接將技術難度最大的高光譜分辨率激光雷達技術應用於(yu) 海洋,而是遵循技術發展規律先研製了一套海洋彈性激光雷達”。經過多次海試實驗,其可靠性得到了驗證。然而,團隊發現這種激光雷達限製很大,最主要的原因就是它的探測精度較低。在大氣領域,一個(ge) 很好的解決(jue) 方案就是采用高光譜分辨率激光雷達技術,那麽(me) 在海洋中可不可以采用這種方案呢?至此,團隊對於(yu) 海洋高光譜分辨率激光雷達的研究,正式揭開序幕。
團隊研製的海洋彈性激光雷達係統
2017年,團隊發表了首篇關(guan) 於(yu) 海洋高光譜分辨率激光雷達的期刊論文,並在隨後不斷地論證這種技術的可行性。此外,團隊對於(yu) 海洋彈性激光雷達的研製經驗和大氣高光譜分辨率激光雷達的研製經驗為(wei) 海洋高光譜分辨率激光雷達的研製提供了很好的研究基礎。“2019年,我們(men) 認為(wei) 理論和技術都已經成熟了,就正式開始研製海洋高光譜分辨率激光雷達係統,包括各個(ge) 模塊設備的初期調研、設計、加工、采購、模塊組裝、模塊測試以及整體(ti) 的組裝及測試。”有了前期的理論和實踐基礎,經過一年多的時間,團隊順利研製出國內(nei) 首台海洋高光譜分辨率激光雷達係統。
走出“溫室”直麵海洋,
克服重重困難
把儀(yi) 器當作自己的孩子,是很多科研工作者共同的經曆。很多精密的儀(yi) 器都需要在實驗室的“溫室”裏工作,受不得半點“委屈”。一旦溫度不適宜或是有一點震動,或許她們(men) 就會(hui) 鬧脾氣不工作了。但在研製海洋高光譜分辨率激光雷達的過程中,浙大團隊卻麵臨(lin) 著一個(ge) 巨大的考驗——讓儀(yi) 器走出“溫室”,接受大海的考驗。
“海上實驗環境伴隨著大量高鹽高濕的海風、海浪,具有很強的腐蝕性,而我們(men) 的儀(yi) 器中又有大量的光學件、電路,如何確保儀(yi) 器在環境複雜的海上正常使用,這對團隊提出了很大的挑戰,”劉東(dong) 說,“海洋環境的不確定性,要求我們(men) 必須考慮得更多”。麵對可能存在的問題,團隊提前做好了一係列的預案。
海洋環境的特殊性要求儀(yi) 器的防護設計比一般的戶外儀(yi) 器更加嚴(yan) 苛,不僅(jin) 需要防水、耐高溫,還需要防腐蝕。對此,團隊不放過任何可能出現問題的地方。從(cong) 儀(yi) 器的外殼、各類接口包括部分裸露在外的器件,團隊都做了足夠的防護。尤其是儀(yi) 器上下兩(liang) 個(ge) 部分銜接的地方,團隊還采用了特殊的設計,並進行了反複的測試、修正。與(yu) 此同時,為(wei) 防止意外泄漏,在內(nei) 部器件的選取上,團隊也進行了大量的調研,盡量選擇能夠抗腐蝕的器件,或是額外增加一層防護。
光電檢測與(yu) 遙感研究團隊成員參與(yu) 海試實驗
小到機械件的配合問題,大到技術上的硬性問題,除了要克服海洋實驗環境的特殊性,團隊在儀(yi) 器研製過程中還遇到了無數大大小小的挑戰。如何有效安裝儀(yi) 器的核心部件超窄帶光譜鑒頻器就是其中之一。
團隊選擇的技術路線是一個(ge) 國際上鮮有報道的多通道碘池鑒頻器,這個(ge) 部件需要加熱到一定溫度,並達到0.1℃的溫控精度才能正常運作。還要確保其能夠承受運輸的振動環境和實驗過程中的未知環境,可以說是一個(ge) 不小的挑戰。
沒有前人的經驗就一步步嚐試並積累經驗。經過反複調研,一種可實現的高精度溫控方式以及可靠的固定方式終於(yu) 出現。團隊成員陳揚分享道:“經過多次的討論和反複論證,碘池鑒頻器在安裝時非常順利,且在實際的使用中沒有後續問題”。
回顧研製這樣一台大型的、複雜的儀(yi) 器的過程,成員們(men) 提及最多的就是彼此之間默契的配合與(yu) 良好的溝通。“在研製期間,團隊每個(ge) 人都有自己的職責,涵蓋了原理研究、技術攻關(guan) 、任務統籌、進度跟進等方方麵麵。在默契的配合中,我們(men) 逐步攻克一個(ge) 又一個(ge) 難題”。團隊成員徐沛拓說。
探測數據精度更高,
助力“海洋強國”
“海洋事業(ye) 關(guan) 係民族生存發展狀態,關(guan) 係國家興(xing) 衰安危。”黨(dang) 的十八大以來,習(xi) 近平總書(shu) 記多次在講話中談及海洋強國建設,重視海洋事業(ye) 發展。浙大研究團隊也在為(wei) 建設“海洋強國”不斷貢獻著自己的力量。
從(cong) 東(dong) 海到南海,在此次近半個(ge) 月的海試過程中,團隊研製的海洋高光譜分辨率激光雷達所獲取的走航數據和大量的固定站點數據,通過與(yu) 同步探測的海洋彈性激光雷達係統以及原位儀(yi) 器的初步對比,展現了其良好的可靠性和先進性。
海洋高光譜分辨率激光雷達係統首次海試實驗
那麽(me) ,相較於(yu) 當前常見的海洋彈性激光雷達,海洋高光譜分辨率激光雷達的優(you) 越性有哪些呢?
精度更高,這是團隊給出的回答。
“彈性激光雷達的一個(ge) 信號裏包含了兩(liang) 個(ge) 未知光學量,我們(men) 都知道一個(ge) 方程兩(liang) 個(ge) 未知數,沒有辦法進行求解。”劉東(dong) 解釋道,“科學家們(men) 需要借助假設來求出這兩(liang) 個(ge) 未知數,那麽(me) 顯然這個(ge) 假設就會(hui) 影響求解的精度。”而海洋高光譜分辨率激光雷達則采用了超窄帶光譜鑒頻器來額外增加了一路分子通道信號。
從(cong) 一個(ge) 方程兩(liang) 個(ge) 未知數變為(wei) 兩(liang) 個(ge) 方程兩(liang) 個(ge) 未知數,方程可輕易求解。而解出這兩(liang) 個(ge) 未知數,我們(men) 就能夠得到一個(ge) 新的參數,就是這兩(liang) 個(ge) 未知數的比值。“可不要小看了這個(ge) 比值,它的大小與(yu) 水體(ti) 懸浮物種類、浮遊植物的光合作用密切相關(guan) 。”
而幫助科學家更準確地探測海洋浮遊植物正是海洋高光譜分辨率激光雷達未來的應用前景之一。“這些小小的浮遊植物,其實有著大大的夢想。”正如陸地上的大草原一樣,浮遊植物就是海上的“草原”,它們(men) 貢獻了全球一半的淨初級生產(chan) 力。劉東(dong) 指出,“這意味著光合作用固定下來的能量有一半來源於(yu) 陸地上的植物,而另一半就是海洋中的浮遊植物,未來我們(men) 還能不能吃到便宜的海鮮可是全指望它了。”
據悉,目前團隊也在參與(yu) 國家的機載和星載海洋激光雷達項目,希望推動高光譜分辨率激光雷達搭載飛機平台和衛星平台,進行更加高效、更大麵積的海洋探測。

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