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的一个重要危险因素。
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，最大水平探测半径和垂直探测高度达到了30千米和7千米，位于全球领先水平。
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。相关研究成果分别于3月6日和4月8日在国际期刊《遥感》和《光学快讯》上发表。
2023年1月起，应用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(受访者供图)
新型激光雷达无惧风雨
风切变、晴空湍流都是一种特殊的大气现象，它们也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，严重影响着民航飞机的飞行安全。
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解。
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。
但是，世界气象组织将测风激光雷达列为最具挑战性的激光雷达。尤其是传统测风激光雷达由于探测能力有限，难以适应各种复杂恶劣天气条件下的风切变探测。
“通常情况下，遭遇降雨、大雾低能见度条件，激光雷达性能受限，无法满足工作需求。但是测风激光雷达大多用于航空气象、交通气象、环保监测、应急管理等多种场景，一旦激光雷达探测不准，将极大地影响上述行业的安全。”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。如果是毛毛雨情况，就像戴着眼镜进入浴室，基本无法看见，如果是较大的雨滴，又会让镜面变得不平整，影响激光的准直效果。
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个疏水疏油的材料，让油污、水滴不会积在镜片上，激光能够顺利打出去。“这层纳米材料可抗600次耐磨擦拭，按一周擦拭一次计算可使用10年。”夏海云说。
云南昆明长水机场由于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。
经过9个月的观测统计结果显示：在降雨条件下，激光雷达10千米以上的探测概率达到了92.79%，有效覆盖了机场跑道。在实际验证中，该激光雷达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表明，微波雷达可以探测强降雨区域，但距离分辨率达1千米;而激光雷达可以实现强降雨外区域探测，距离分辨率30—150米，风切变时空分布和演变过程清晰可见。通过垂直廓线探测可揭示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了基础。
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，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到该雷达系统中。他们借助人工智能的机器学习技术建立风场反演模型，准确提供全域的高时空分辨率探测数据。
“风场也是流动的，就像一条大河，虽然有一部分被建筑物或自然地形阻挡，我们就通过流体力学的办法，去计算高楼等阻挡物后面的风场结构。也就是在视线受阻挡，无法探测的情况下，在世界上率先实现了风场的全区域的测量和重建。”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领域，但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。广州白云机场由于机场塔台、航站楼和围栏等低空建筑物的遮挡，导致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。
课题组通过实测积累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6 个月连续观测数据的基础上，建立了非视域风场重建模型，实现了全域风场的重建，误差优于0.85m/s。
夏海云介绍，这项技术具有普遍的应用场景，无论是在城市的高楼大厦之间，还是在崎岖的自然地形中，激光雷达都能准确提供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。
夏海云表示，他们采用了单光子灵敏度的探测，所以这款雷达的发射功率是世界上最低的，只有1.5瓦，发热量小，对环境的适应能力也非常稳定，“可以在零上60摄氏度至零下40摄氏度的大气环境中，进行24小时365天不间断工作。”
(责任编辑：韩梦晨)
