近日，由浙大光電科學(xué)與工程學(xué)院、寧波研究院劉東教授、劉崇教授團(tuán)隊(duì)成功研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)與自主研制的海洋彈性激光雷達(dá)系統(tǒng)一起參加自然資源部第二海洋研究所組織的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“海洋光學(xué)遙感探測(cè)機(jī)理與模型研究”航次，搭載于“潤(rùn)江一號(hào)”科考船，在中國(guó)東海和南海進(jìn)行了海試實(shí)驗(yàn)。寧波研究院周雨迪博士、光電學(xué)院研究生徐沛拓、陳揚(yáng)參與海試。團(tuán)隊(duì)研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)在此次海試實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)了其良好的可靠性和先進(jìn)性。
從上天到入海，
探索激光雷達(dá)的“海洋夢(mèng)”
長(zhǎng)1.5米、寬0.7米、高2米，重量約300千克，如果你初次見(jiàn)到浙大團(tuán)隊(duì)研制的這臺(tái)海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)，或許會(huì)被它龐大的體積所吸引。而也是在這個(gè)龐大的外形之下，隱藏著基于團(tuán)隊(duì)多年研究基礎(chǔ)設(shè)計(jì)而成的一系列高精密部件和附加件。
海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)
時(shí)針撥回2015年，那時(shí)團(tuán)隊(duì)的目光還聚焦于大氣激光雷達(dá)，特別是大氣高光譜分辨率激光雷達(dá)領(lǐng)域。“在一次與國(guó)際同行的交流中，我們發(fā)現(xiàn)激光雷達(dá)不僅可以向天上探測(cè)，也可以對(duì)廣闊的海洋進(jìn)行觀(guān)測(cè)?！眲|直言，盡管當(dāng)前海洋激光雷達(dá)在國(guó)內(nèi)技術(shù)積累相對(duì)較弱，但國(guó)際上已證明了其在海洋生物地球化學(xué)、漁業(yè)、島礁地形等領(lǐng)域的巨大潛力。也是從這個(gè)時(shí)候起，團(tuán)隊(duì)萌發(fā)出了激光雷達(dá)的“海洋夢(mèng)”，希望能夠抓住這次拓展技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域、踐行海洋強(qiáng)國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略的機(jī)遇。
從大氣到海洋，這個(gè)嘗試并不容易。技術(shù)難度高、研制成本貴、實(shí)驗(yàn)條件受限，是擺在團(tuán)隊(duì)面前的“三座大山”，層層推進(jìn)對(duì)于團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)是當(dāng)時(shí)最好的選擇。
“我們最開(kāi)始沒(méi)有直接將技術(shù)難度最大的高光譜分辨率激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于海洋，而是遵循技術(shù)發(fā)展規(guī)律先研制了一套海洋彈性激光雷達(dá)”。經(jīng)過(guò)多次海試實(shí)驗(yàn)，其可靠性得到了驗(yàn)證。然而，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這種激光雷達(dá)限制很大，最主要的原因就是它的探測(cè)精度較低。在大氣領(lǐng)域，一個(gè)很好的解決方案就是采用高光譜分辨率激光雷達(dá)技術(shù)，那么在海洋中可不可以采用這種方案呢？至此，團(tuán)隊(duì)對(duì)于海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)的研究，正式揭開(kāi)序幕。
團(tuán)隊(duì)研制的海洋彈性激光雷達(dá)系統(tǒng)
2017年，團(tuán)隊(duì)發(fā)表了首篇關(guān)于海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)的期刊論文，并在隨后不斷地論證這種技術(shù)的可行性。此外，團(tuán)隊(duì)對(duì)于海洋彈性激光雷達(dá)的研制經(jīng)驗(yàn)和大氣高光譜分辨率激光雷達(dá)的研制經(jīng)驗(yàn)為海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)的研制提供了很好的研究基礎(chǔ)。“2019年，我們認(rèn)為理論和技術(shù)都已經(jīng)成熟了，就正式開(kāi)始研制海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括各個(gè)模塊設(shè)備的初期調(diào)研、設(shè)計(jì)、加工、采購(gòu)、模塊組裝、模塊測(cè)試以及整體的組裝及測(cè)試?！庇辛饲捌诘睦碚摵蛯?shí)踐基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)一年多的時(shí)間，團(tuán)隊(duì)順利研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)。
走出“溫室”直面海洋，
克服重重困難
把儀器當(dāng)作自己的孩子，是很多科研工作者共同的經(jīng)歷。很多精密的儀器都需要在實(shí)驗(yàn)室的“溫室”里工作，受不得半點(diǎn)“委屈”。一旦溫度不適宜或是有一點(diǎn)震動(dòng)，或許她們就會(huì)鬧脾氣不工作了。但在研制海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)的過(guò)程中，浙大團(tuán)隊(duì)卻面臨著一個(gè)巨大的考驗(yàn)——讓儀器走出“溫室”，接受大海的考驗(yàn)。
“海上實(shí)驗(yàn)環(huán)境伴隨著大量高鹽高濕的海風(fēng)、海浪，具有很強(qiáng)的腐蝕性，而我們的儀器中又有大量的光學(xué)件、電路，如何確保儀器在環(huán)境復(fù)雜的海上正常使用，這對(duì)團(tuán)隊(duì)提出了很大的挑戰(zhàn)，”劉東說(shuō)，“海洋環(huán)境的不確定性，要求我們必須考慮得更多”。面對(duì)可能存在的問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提前做好了一系列的預(yù)案。
海洋環(huán)境的特殊性要求儀器的防護(hù)設(shè)計(jì)比一般的戶(hù)外儀器更加嚴(yán)苛，不僅需要防水、耐高溫，還需要防腐蝕。對(duì)此，團(tuán)隊(duì)不放過(guò)任何可能出現(xiàn)問(wèn)題的地方。從儀器的外殼、各類(lèi)接口包括部分裸露在外的器件，團(tuán)隊(duì)都做了足夠的防護(hù)。尤其是儀器上下兩個(gè)部分銜接的地方，團(tuán)隊(duì)還采用了特殊的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了反復(fù)的測(cè)試、修正。與此同時(shí)，為防止意外泄漏，在內(nèi)部器件的選取上，團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了大量的調(diào)研，盡量選擇能夠抗腐蝕的器件，或是額外增加一層防護(hù)。
光電檢測(cè)與遙感研究團(tuán)隊(duì)成員參與海試實(shí)驗(yàn)
小到機(jī)械件的配合問(wèn)題，大到技術(shù)上的硬性問(wèn)題，除了要克服海洋實(shí)驗(yàn)環(huán)境的特殊性，團(tuán)隊(duì)在儀器研制過(guò)程中還遇到了無(wú)數(shù)大大小小的挑戰(zhàn)。如何有效安裝儀器的核心部件超窄帶光譜鑒頻器就是其中之一。
團(tuán)隊(duì)選擇的技術(shù)路線(xiàn)是一個(gè)國(guó)際上鮮有報(bào)道的多通道碘池鑒頻器，這個(gè)部件需要加熱到一定溫度，并達(dá)到0.1℃的溫控精度才能正常運(yùn)作。還要確保其能夠承受運(yùn)輸?shù)恼駝?dòng)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的未知環(huán)境，可以說(shuō)是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。
沒(méi)有前人的經(jīng)驗(yàn)就一步步嘗試并積累經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)研，一種可實(shí)現(xiàn)的高精度溫控方式以及可靠的固定方式終于出現(xiàn)。團(tuán)隊(duì)成員陳揚(yáng)分享道：“經(jīng)過(guò)多次的討論和反復(fù)論證，碘池鑒頻器在安裝時(shí)非常順利，且在實(shí)際的使用中沒(méi)有后續(xù)問(wèn)題”。
回顧研制這樣一臺(tái)大型的、復(fù)雜的儀器的過(guò)程，成員們提及最多的就是彼此之間默契的配合與良好的溝通。“在研制期間，團(tuán)隊(duì)每個(gè)人都有自己的職責(zé)，涵蓋了原理研究、技術(shù)攻關(guān)、任務(wù)統(tǒng)籌、進(jìn)度跟進(jìn)等方方面面。在默契的配合中，我們逐步攻克一個(gè)又一個(gè)難題”。團(tuán)隊(duì)成員徐沛拓說(shuō)。
探測(cè)數(shù)據(jù)精度更高，
助力“海洋強(qiáng)國(guó)”
“海洋事業(yè)關(guān)系民族生存發(fā)展?fàn)顟B(tài)，關(guān)系國(guó)家興衰安危?！秉h的十八大以來(lái)，習(xí)近平總書(shū)記多次在講話(huà)中談及海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)，重視海洋事業(yè)發(fā)展。浙大研究團(tuán)隊(duì)也在為建設(shè)“海洋強(qiáng)國(guó)”不斷貢獻(xiàn)著自己的力量。
從東海到南海，在此次近半個(gè)月的海試過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)研制的海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)所獲取的走航數(shù)據(jù)和大量的固定站點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)與同步探測(cè)的海洋彈性激光雷達(dá)系統(tǒng)以及原位儀器的初步對(duì)比，展現(xiàn)了其良好的可靠性和先進(jìn)性。
海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)首次海試實(shí)驗(yàn)
那么，相較于當(dāng)前常見(jiàn)的海洋彈性激光雷達(dá)，海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)的優(yōu)越性有哪些呢？
精度更高，這是團(tuán)隊(duì)給出的回答。
“彈性激光雷達(dá)的一個(gè)信號(hào)里包含了兩個(gè)未知光學(xué)量，我們都知道一個(gè)方程兩個(gè)未知數(shù)，沒(méi)有辦法進(jìn)行求解?！眲|解釋道，“科學(xué)家們需要借助假設(shè)來(lái)求出這兩個(gè)未知數(shù)，那么顯然這個(gè)假設(shè)就會(huì)影響求解的精度。”而海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)則采用了超窄帶光譜鑒頻器來(lái)額外增加了一路分子通道信號(hào)。
從一個(gè)方程兩個(gè)未知數(shù)變?yōu)閮蓚€(gè)方程兩個(gè)未知數(shù)，方程可輕易求解。而解出這兩個(gè)未知數(shù)，我們就能夠得到一個(gè)新的參數(shù)，就是這兩個(gè)未知數(shù)的比值?！翱刹灰】戳诉@個(gè)比值，它的大小與水體懸浮物種類(lèi)、浮游植物的光合作用密切相關(guān)?！?/p>
而幫助科學(xué)家更準(zhǔn)確地探測(cè)海洋浮游植物正是海洋高光譜分辨率激光雷達(dá)未來(lái)的應(yīng)用前景之一?！斑@些小小的浮游植物，其實(shí)有著大大的夢(mèng)想。”正如陸地上的大草原一樣，浮游植物就是海上的“草原”，它們貢獻(xiàn)了全球一半的凈初級(jí)生產(chǎn)力。劉東指出，“這意味著光合作用固定下來(lái)的能量有一半來(lái)源于陸地上的植物，而另一半就是海洋中的浮游植物，未來(lái)我們還能不能吃到便宜的海鮮可是全指望它了?！?/p>
據(jù)悉，目前團(tuán)隊(duì)也在參與國(guó)家的機(jī)載和星載海洋激光雷達(dá)項(xiàng)目，希望推動(dòng)高光譜分辨率激光雷達(dá)搭載飛機(jī)平臺(tái)和衛(wèi)星平臺(tái)，進(jìn)行更加高效、更大面積的海洋探測(cè)。
（文 李靈/圖片來(lái)源：光電學(xué)院、光電檢測(cè)與遙感課題組）
