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量子激光雷达:俯瞰全球中高层大气的“眼睛”

来源:中央纪委国家监委网站

  发布:星之球科技

关键词:激光雷达 激光技术

2018-09-05

  量子激光雷达:

俯瞰全球中高层大气的“眼睛”

主讲嘉宾:武汉大学校长 中国科学院院士 窦贤康  

上 篇 

从激光雷达到量子激光雷达的跨越 

  【导视】 

  探测中高层大气面临一个非常难的课题,它难在哪呢?卫星下不来。

  从普通雷达到激光雷达

  发展出来一套系统,叫量子激光雷达。

  从激光雷达到量子激光雷达

  把激光雷达放到卫星上进行全球风场的测量。

  我们每10纳秒就进行了一次完美的探测。

  窦贤康:同学们,大家好!欢迎大家来到《大学》。

  这两束光可能大家看到过一束,因为大家都是武大的学生。看到左下角的那一束激光,绿色激光就从珞珈山的后山射向太空。

  右下角的那一束激光是在中国科大实验室的边上,同样地也射向太空。

  这两束光是干什么的呢?这两束光是用来探测中高层大气的。摆在光学平台上的设备就是激光器,这样发出去的激光出去以后,就是大家刚才看到的那两束靓丽的直插云霄的绿光。

  什么是中高层大气? 

  中高层大气是什么?我们在地表面看到很多海洋,波涛汹涌。我们也看到对流层大气里有云、雨、风,五彩缤纷,冬天有雪,到热带地区有很多暴雨。在对流层10公里以上,还是有很多的大气,这就是我们经常讲的中高层大气。这个大气不是一个静态的,也有温度、密度和风场的变化,所以它被形象地比喻为神秘的、高空的海洋。

  人类活动的空间,按照温度区分为几个层,对流层就是10公里以下的空间,这里面主要的现象有云、雨、雪,直接和水相关。所谓的对流层就是它在垂直方向上有剧烈的运动,叫对流。在10公里以上,或者20-50公里,这一层叫平流层,这一区域大气的流动基本上以水平流动为主。在平流层以上50-90公里的地方称之为中间层,这两个区域就构成了所谓的中高层大气的主要区域。这个区域的大气是变化的,跟地表对流层大气的变化一样。中高层大气的顶端,从90公里开始,上面就称之为电离层,90公里以下大气都是中性成份为主;90公里以上出现部分电离,一千多公里到几千公里完全电离,叫磁层。随着能量的不断注入,电离层的带电粒子往下沉降,也会改变中高层大气的状况。这个大气层我们看不见,或者我们不大习惯在这个区域里面生活和发展。但是这个区域大气离我们如此之近,而且这个大气里面的变化也是如此的五彩缤纷。

    临近空间在过去为什么研究得少? 

  【外景】 

  窦贤康:现在我们到35公里,信号还是比较强。

  工作人员:这个显示的是5到35公里。

  窦贤康:5到35公里。

  现在能不能把它的分辨率搞得更低呢,现在新的口径是80厘米。

  工作人员:可以,这个我们记录的时候都按7.5米记的。

  窦贤康:按7.5米记。

  工作人员:累计一下,分辨率可以调。

  窦贤康:可以调,对。

  工作人员:而且这个临风层也比较清楚。

  窦贤康:临近空间为什么在过去研究得比较少?过去这个区域内人类活动比较少。空间物理研究比较奇怪,两头搞得比较清楚,中间不明白。空间物理研究是从对流层开始一直研究到太阳表面。在几百公里、几千公里搞得比较清楚,因为有大量的卫星运行,通过探测可以把这个地区的状况搞清楚。太阳表面可以通过观测设备搞清楚,地面10公里以下有各种各样的雷达可以搞得很清楚,唯一不太清楚的就是从地表面开始20-100公里的区域。因为大气非常稀薄和干净,没有反射物,很难探测,导致这个区域的研究相对滞后于其他领域。

 

  为什么要加强对中高层大气的研究? 

  中高层大气里既然大气这么稀薄,怎么样去探测这样一个大气海洋,这是摆在空间物理学家面前一个非常难的课题。难在哪?卫星下不来,卫星的轨道高度是不能太低的。在低轨道上,很难维持卫星长期有效的运转,通过卫星的运动,判断大气的状况变得不可能了。因为高度很高,地面的设备,探空气球又很难飞到几十公里以上的高度。正因为这些原因,导致我们在这些区域里面探测存在一些困难。探空火箭非常好,可以把穿越轨道上的大气要素搞清楚,它的优点是时间精确度很高,缺点是它造价很高,打一次探空火箭需要几百万人民币,所以不能反复地打火箭,导致人类对这个区域的探测处于相对空白的状态。

  从普通雷达到激光雷达 

  在讲探测大气之前,给大家做一个科普性的介绍。大家知道我们探测所有的东西,进行遥感探测,进行远距离探测常用的是雷达。二战时期,德国和英国作战,德国的空军力量比较强大,但是英国发明了雷达,它发出一个电磁波,碰到一个物体的时候会反射回来,你利用发射波和接收波之间的时间差,乘上光速再除以2,大概知道反射物在什么位置。根据发出的电磁波,它反射回来波的能量的大小不同,大家可以想象一下,一个小球和一个大球,在同样距离上,发一个电磁波,获得的能量是不一样的。通过雷达波返回的时间差和返回能量的高低,可以大体上反映飞机的位置,这样能够准确地知道德机来袭的数量以及它现在飞机所处的位置,这样再去防卫和攻击变得比较有效。

  雷达基本原理用下来,人类的无线电波,大体上有米波、厘米波、毫米波等各种各样不同波段的波。一个波打到一个物体上,当波长比物体大很多的时候,返回的能量是比较小的。物体本身有比较强的回波,发射出来一个波,大体上和探测物体的尺寸相当。现在探测一个飞机比较容易,因为飞机很大。但是如果我们去探测高空大气,在10公里以上,20、30公里之间,还有一些火山各种因素导致的气溶胶,只要有气溶胶,波打上去回波就很强。

  再往上,30公里以上,只有纯净的大气,这里边所有颗粒的尺寸多大呢?10的负9次方到10的负10次方米,这个地方只有空气的分子。在低空探测可以探测雨滴和云滴,但是雨滴再小比空气分子的尺寸要大很多,所以可以用厘米波雷达探测它,有雨滴的时候,可以用厘米波,甚至用更长的波段探测,但是在30公里以上,就没有别的更好的办法了。这个时候大家可以想象得出来,这个层面上唯一能做的是用激光探测它,因为激光的波长大致上和分子的尺度相当。

  【外景】 

  工作人员:可以看到它这里面有点重力波的信息,有点波动。

  窦贤康:对,有点。它有点上下波动。

  工作人员:要认真分析一下。

  窦贤康:这次在做实验的时候,跟他们(探空)气球比对了吗?

  工作人员:比了,非常好。效果很好。

  窦贤康:效果很好,是吧?

  工作人员:这回是背靠背的。

  窦贤康:好的,这样我觉得可能到将来我们再为它研制一些,到这个雷达后边的光学,看看信噪比能不能再提高一点,提高可以把雷达做得更小。

  窦贤康:激光还有两个非常重要的特性。首先有非常强的方向性。另外,激光有非常好的频率的单色性。如果激光的单色性不好,会有大量的太阳相关波段附近的能量随着激光同时回来。激光雷达的基本原理,发射一个激光,向空间穿越的过程里,会在路径上受到大气的散射。在不同高度的大气,不同时间散射回来的,后面利用简单的接收光路可以把激光穿越大气的状态准确地搞清楚。

  对于探测中高层大气而言有几种办法:一种是激光雷达,一种是微波雷达,一种是探测火箭。只有激光雷达能够覆盖从近地面到100公里,现在正在做国际上最好的激光雷达。

  这一部分工作是过去二三十年间,进行激光雷达探测的主要进展。根据回波的能量,可以把大气温度、密度测出来,武汉大学山顶上的光可以打到80-100公里,根据重金属原子的共振、荧光的吸收,可以看出中高层顶的大气状况。

 

  中高层大气风场探测难在哪? 

  窦贤康:中高层大气的风场探测难度在哪呢?中高层大气它在运动的过程里面,学过热学大家知道,在我们现在的房间里,在室温的条件下,这里气体分子在杂乱无章地运动,运动的平均速度是500米每秒。放到高空之后,大气里面的分子各个方向的运动都有。有一个宏观的整体运动,就是我们能够感觉到的风,在杂乱无章运动过程里,我们激光打过去,是每一个大气分子散射的总和,这样大家可以看到黄色的一部分。激光打上去之后,即使是完全单色的光,回来之后,由于气体分子在视线方向上,有的远离你去,有的向你扑过来,而且速度很快,比它宏观运动要大得多。

  这个情况下接收到的激光本身,就是图上的黄色部分,是有几个赫兹的展宽。假设大气不动就会得到一个稳定的谱,但是这个谱是一个理想的谱。由于我们电子器件的原因,要得到的图是抖动的图,边是不光滑的,是带有毛刺的,假设大气不动的话得到这样的谱(理想的谱)。如果大气运动,这个谱就会左移或者右移。如果移动带来每秒10米的风速,移动会非常小。因为谱本身是由于热运动速度导致的,是几百米每秒量级带来的展宽。当风速很小,要将风速测量精度提得很高的时候,黄色的移动部分很小,而且黄色本身又是不光滑。抖动是由于移动导致的,还是由于信号本身晃动导致的,就很难判定。这是大气里面,测风速最难办的问题。

  【外景】 

  窦贤康:现在白天观测做完以后,我觉得基本上除了正午以外应该都没什么问题了。

  工作人员:对。一宿基本都是连续下来的,然后到了早上七点钟的时候天就亮了,有点暗了。

  窦贤康:现在按照这个设计指标的话,如果白天观测部分做完的话,那个信噪比能提高多少呢,就是能把这个噪声的指标压低多少?

  工作人员:现在我感觉应该能压到跟晚上是一样的。

  窦贤康:接近一样。

  窦贤康:我们攻克了这些技术以后,开始研制出成体系的测风激光雷达。这是国际上并行做的测风激光雷达工作的几家单位,左上角的雷达放在法国的普罗旺斯地区,也是我当时在法国留学的实验室。这个设备的意义很大,是人类历史上第一次可以检测到60公里以上大气的风场。中间是美国做的测中高层大气风场设备,右上角的卫星是进行全球大气风场的测量。

  到目前为止,我们还没有办法去测量全球的风场。如果要进行全球风场的测量,全球要布多少雷达才能测得出来?所以进行全球风场的测量必须用卫星。这是很早一段时间,计划中世界上首台测风激光雷达。放一台到卫星上去,通过卫星轨道的变化,对全球中高层大气,包括平流层、对流层的风场进行全球测量。

 

  从激光雷达到量子激光雷达 

  【外景】 

  工作人员:这边是一个新机理的实验。大起来它要复杂得多,我们用到了声波、电光、调制,然后这样我们要比对手又要降五十倍的功率,我们要实现一样的高信噪比的探测。

  窦贤康:欧洲在上个世纪末,提出了著名的“风神计划”,把激光雷达放到卫星上进行全球风场的测量。要进行全球风场的测量,就必须要通过卫星来做,欧洲这个计划成形的时间已经非常长。大概是90年代末提出来的这样一套系统,提出到今天,这个计划已经被推迟发射好几次,它的原因在哪?因为既然从高空往底下来进行探测,就需要比较强的激光,激光能量越来越大的时候,往往会把光路里面的某一个镜片烧坏。在这样的过程里,激光雷达在地面很容易做,烧坏了拧下来换一个就可以重新开始工作了。但是卫星上不行,因为上面没有人,没有办法更换器件。

  如何在大功率条件下,实现稳定地、长期地观测,就变成是一个难题。这样前提下我们有另一个办法,发展出来一套系统,叫量子激光雷达,这也是我个人做到今天的科研工作里最得意的一件事情。

  【外景】 

  学生:校长,您好,我有一个问题,就是量子激光雷达跟传统雷达原理上有什么不同,它有什么比较显著的优点吗?

  窦贤康:传统激光雷达,要通过提高能量和提高接收望远镜的面积来实现,但量子激光好在哪?我通过单光子的操作,可以降低它的噪声水平和提高它的工作效率。实现过去传统上通过能量提高和望远镜口径提高,来实现性能上的提高。后面我们通过超导的办法,能够把它非常弱小的信号检测出来,我们的提取和检测都基本上做到极致,这就是基本上目前技术条件下,我们能想象出来的激光雷达极限。

  【提问】 

  学生:您好,刚才您提到量子激光雷达是探测中高层大气的利刃,您认为我们国家大概什么时候能够完成星载激光雷达?

  窦贤康:量子技术最突出的优点,有比较高的探测效率,这也是将来能够上星非常重要的步骤,现在通过科学院的“鸿鹄计划”,先把它放到球载技术上做。

  【新闻报道】 

  中国科学院A类战略性先导科技专项“临近空间科学实验系统”(简称“鸿鹄专项”)日前启动。鸿鹄专项将突破一系列关键技术,建成我国首个临近空间科学实验系统。

  窦贤康:球载做完以后把它安全性、可靠性、稳定性验证完之后,我有一个梦想,这辈子能在科技上干成的最后一件事情,希望能把中国的星载测风激光雷达做出来。

 

下篇

中国核心技术上的突破靠什么?

  【导视】

  把我们的科技成果能够转换成推动中国经济的发展,解决中国实际问题的方法。

  如果你的核心技术不掌握,那是非常危险的。

  要靠我们中国的青年学者、科技人员的努力,才能走在世界的前列。

  窦贤康:大家好,欢迎来到《大学》。

  量子激光雷达的创新

  下面简单跟大家介绍一下量子激光雷达的原理。

  这是一个著名的激光雷达的方程,原理要讲清楚比较容易。你要实现一个高的时间和空间分辨率测量的时候,唯一的办法是做两件事,一是不断地提高激光器的能量,二是不断提高接收望远镜的口径。这个是很难做到的,地面可以,但是在卫星上很难做到更大。而且能量过高,它的光路会经常损坏,使得你星载的激光雷达很难运行。这就是为什么国际上星载激光雷达迟迟上不了天的主要原因。

  当时我们研究方程的时候在想,后面几项没有办法变,就是大气的衰减,怎么办呢?提出量子激光雷达的初衷很简单。过去只是把能量和望远镜面积提高,来提高雷达的性能。现在还有两个因子,一个是量子效率,还有一个光子的能量。当时提出一个方案,把红外的光打出去,波长长,回来以后光很难探测,利用上转换技术,把它从红外的波段,转换到可见光的波段。转换过程里,一方面相当于把大气太阳的背景抑制掉,同时把它的光换成量子效率很高的光来进行探测。打一个比方,一个乒乓球很轻,外面包一个很重的铁皮扔过去,它的可探测性就会变得非常之好。

  原理是红色部分发出一个光,经过上转换技术,转换到蓝点,转换之后,它的暗噪声和量子效益同步提高,可以比传统的激光雷达信噪比提高1800倍,这是一个大幅度地提高。做同样一个设备,用量子技术,和原来的传统雷达比,激光器能量可以变成原来的1/10,望远镜口径可以变成原来的1/10,进行星载就变得格外地容易了。这是量子激光雷达的原理。

  一个激光雷达好坏的差别,就看在同样的距离下,谁发出的光子多、谁的信号强。我们这一套设备既有比较好的性能,同时又有比较低的噪声。

  【外景】

  窦贤康:从一百公里到一千公里的地方,现在大气的中性气体探测,国际上没有手段,但是在这个地区电子的、电离成分的探测是有手段的。我觉得这个我们要花点时间把它搞清楚。

  激光雷达的应用

  窦贤康:激光雷达民用的实施,当时在合肥测企业的排放,利用原来的激光雷达,过去可以测2公里多,现在可以测8公里,它的意义在哪?比如用传统技术在武汉需要布100台,用我们的新技术只用布10台,任何一个探测技术的进步,就可以带来应用的快速发展。

  量子激光雷达前景

  量子激光雷达以后前景非常大,比如它能够进行各种大气要素的探测。在科学院“鸿鹄计划”里,希望把我这一套设备放到临近空间里面去,进行环境测试、稳定性测试之后,下一步把它搞到卫星上去,尽快把中国的星载测风激光雷达送上天。

  【外景】

  窦贤康:实际上就实现了每十个纳秒就完成一次粒子或者是目标的探测。

  【提问】

  学生:窦校长,你好!作为一个学科前沿的开拓者和一位投身于一线数十年的科技人员,您认为一个科学家的重要的品质是什么?

  窦贤康:作为一个科学家最重要的品质,应该是足够敏锐,具备对于前沿科技问题的把握能力。可能听起来比较枯燥,确实反映了科学家最重要的品质。牛顿被苹果砸到,后来搞出万有引力定律,这就是科学家非常敏锐的方面。包括爱因斯坦提出相对论的时候,在诺伦兹变换里面发现有一些量不守恒了,他就敏锐发现时间和空间的统一。作为科学家而言,对前沿科学的洞悉力很关键。中国是经历了从落后到发展的国家,又是一个大国。有敏锐的科学精神,要有严谨作风,这都是科学家最本质的属性。

  一个知识分子首先要把科研做好

  窦贤康:我们这一代人是改革开放之后走出去的中国留学生。作为一个知识分子的责任,首先要把科研做好,作为科学家或者作为老师要把课上好。

  有一张照片,伊藤博文和李鸿章谈中日马关条约,这个时候日本人很得意,能够把这么大的国家打败。他跟李鸿章讲,中国很大,但是被我们打败了。

  【外景】

  所以李鸿章也很无奈,说中国虽然地大物博、人口众多,但是人才很少。我想在清朝那个时候,作为一个谈判官员,我相信他心里也是很悲凉的,那时候他也体会到了人才对一个国家的极端重要性。

  窦贤康:老一代的科学家,像郭永怀、钱学森、邓稼先27个人回来搞出了“两弹一星”,那个时候的待遇和现在差别千百倍。随着“两弹一星”事业的发展,为中华民族的不断发展提供了保障。

  【习近平总书记同期声】

  现在在这些核心技术、关键技术、国之重器,必须立足于自己。过去我们不得不自力更生,但是那个时候我们勒紧裤腰带,咬紧牙关我们还创造了“两弹一星”。

                                                                                   ————2018年4月24日至28日,习近平在湖北考察

  窦贤康:郭永怀是一个力学专家,和钱学森一同回国,27个人搞成了中国“两弹一星”的事业。这是一个非常清瘦的人,但是却是伟大的科学家。做了核实验之后,把数据送到北京,和他的警卫员坐飞机返回北京,到北京机场附近的时候坠落了,英勇地牺牲了。大家发现他和警卫员紧紧抱在一起,分开的时候他们胸前的数据公文包还没有烧坏,数据本子还是好的,他是一个伟大的科学家。他的太太叫李佩,曾经是中国科技大学的外语系老师,“两弹一星”勋章颁发以后,李佩就把他的勋章转交给中国科技大学,现在还放在科大的校史馆。

  出国留学后毅然回国建设祖国

  我们是80年代末出国的一代人。90年代初,我去北京的时候没有高速,还要坐很旧的公共汽车跑到机场去。当时北京机场没几架飞机,而巴黎机场非常繁忙,反差非常大。当时我们就在想怎么样通过自己的学习,帮助国家走向更加富强。我们是80年代末出国的一代人,在90年代中期回到国内来,当时有一个朴素的感觉,国家发展需要人才,希望自己回来以后,干一些事情。回顾走过的近30年,我们这一代人,确实参与了国家进程的各方面。在人生过程中会发现,除了满足个人的利益以外你会活得更有价值。

  【外景】

  窦贤康:中国经济要转型,国家要变成一个社会主义现代化强国,必然要推动创新。创新要靠人,中国一些青年人才被不断地培养出来,还有不断的海外人才回国工作,人才的文化土壤已经有了,我想中国会在创新方面迈上更大的台阶。

  核心技术靠化缘是要不来的

  窦贤康:这么多年随着中国的技术进步,中国的国力不断增强,中国的发展速度非常快。

  Natuer Index挑出来几十种期刊,都是各领域最好的期刊,这些领域发文的数量,至少反映这个大学和研究机构研究问题的前沿程度和活跃度。全世界前50名的高校,中国已经有8个。这从一个侧面反映了中国科技和经济的发展。

  我们重视成绩的时候,也必须看到差距。向世界第一迈进的时候,核心技术非常关键,核心技术要靠中国的科技人员把它搞出来。怎么把它搞出来?需要在大学阶段,把它学进去,用到的地方,物理概念和电路问题搞得很清楚,不能光靠下决心,这个时候要承担起来中国在核心技术上的突破,靠你们年轻这一代。

  【提问】

  学生:做一个课题需要很久时间,会遇到很多困难,有时候就会想到要放弃。是靠什么信念支撑自己,去完成自己的课题,进一步提升自己的能力?

  窦贤康:这个问题非常好,作为一个科学家而言,往往能够沉得下气坐冷板凳。人都会遇到困难,我做激光雷达的时候,曾经有一段时间出不了信号,也会有焦虑。作为一个青年科学家要知道,往往最难的事情应该沉得住气去长期坚守。在研究过程中,不管遇到什么困难,冷静思考一下,往往困难越多,你把困难解决掉,你取得的成就就越大。

  窦贤康:三代中国人有三代中国人的责任,钱学森那一代人发明了“两弹一星”,为中华民族的发展奠定坚实的基本保障。我们这一代人是从80年代改革开放以后成长起来的一代人,参与了中国改革开放事业,使中国已经走向了社会主义现代化的强国道路,我们富起来了。随着你们的不断努力,一定能把中国建得更加强大。

  【外景】

  窦贤康:武大是1893年建校,当时叫自强学堂。在抗战的时候,在西迁过程中,虽然那时候很艰苦,但是大家还是比较有民族责任感的。我觉得武大的精神就是“自强弘毅,求是拓新”。一百多年来,秉承一贯的价值追求和理念。

  现在要扎根中国大地办大学,这个阶段我们在做好自然科学研究,做好基础研究的同时,就是我们在力所能及的范围内,能够把我们的科技成果,转换成能够推动中国的经济发展,解决中国实际问题。

  窦贤康:毕业典礼一定要突出两个标记,一是要突出它的学术性,二是要突出对学生的尊重。要求导师团队为典礼上每一个学生扶正流苏,希望能够使武大的所有学生在武大学习期间取得的成就,最后在学位的授予时我们给他平等、公平地对待。通过这样的仪式树立学生的荣誉感,小的层面爱武大,大的层面爱国家。另外,让武大的学生知道,学术这个领域里面,一定要按照学术标准规范做事。我们作为科技工作者,要尽我们的责任,把我们该干的事情干好。