俯瞰全球中高層大氣的“眼睛”

主講嘉賓：武漢大學校長 中國科學院院士 竇賢康  

上 篇 

從激光雷達到量子激光雷達的跨越 

　　【導視】 

　　探測中高層大氣面臨一個非常難的課題，它難在哪呢？衛(wèi)星下不來。

　　從普通雷達到激光雷達

　　發(fā)展出來一套系統(tǒng)，叫量子激光雷達。

　　從激光雷達到量子激光雷達

　　把激光雷達放到衛(wèi)星上進行全球風場的測量。

　　我們每10納秒就進行了一次完美的探測。

　　竇賢康：同學們，大家好！歡迎大家來到《大學》。

　　這兩束光可能大家看到過一束，因為大家都是武大的學生。看到左下角的那一束激光，綠色激光就從珞珈山的后山射向太空。

　　右下角的那一束激光是在中國科大實驗室的邊上，同樣地也射向太空。

　　這兩束光是干什么的呢？這兩束光是用來探測中高層大氣的。擺在光學平臺上的設(shè)備就是激光器，這樣發(fā)出去的激光出去以后，就是大家剛才看到的那兩束靚麗的直插云霄的綠光。

　　什么是中高層大氣？ 

　　中高層大氣是什么？我們在地表面看到很多海洋，波濤洶涌。我們也看到對流層大氣里有云、雨、風，五彩繽紛，冬天有雪，到熱帶地區(qū)有很多暴雨。在對流層10公里以上，還是有很多的大氣，這就是我們經(jīng)常講的中高層大氣。這個大氣不是一個靜態(tài)的，也有溫度、密度和風場的變化，所以它被形象地比喻為神秘的、高空的海洋。

　　人類活動的空間，按照溫度區(qū)分為幾個層，對流層就是10公里以下的空間，這里面主要的現(xiàn)象有云、雨、雪，直接和水相關(guān)。所謂的對流層就是它在垂直方向上有劇烈的運動，叫對流。在10公里以上，或者20-50公里，這一層叫平流層，這一區(qū)域大氣的流動基本上以水平流動為主。在平流層以上50-90公里的地方稱之為中間層，這兩個區(qū)域就構(gòu)成了所謂的中高層大氣的主要區(qū)域。這個區(qū)域的大氣是變化的，跟地表對流層大氣的變化一樣。中高層大氣的頂端，從90公里開始，上面就稱之為電離層，90公里以下大氣都是中性成份為主；90公里以上出現(xiàn)部分電離，一千多公里到幾千公里完全電離，叫磁層。隨著能量的不斷注入，電離層的帶電粒子往下沉降，也會改變中高層大氣的狀況。這個大氣層我們看不見，或者我們不大習慣在這個區(qū)域里面生活和發(fā)展。但是這個區(qū)域大氣離我們?nèi)绱酥疫@個大氣里面的變化也是如此的五彩繽紛。

    臨近空間在過去為什么研究得少？ 

　　【外景】 

　　竇賢康：現(xiàn)在我們到35公里，信號還是比較強。

　　工作人員：這個顯示的是5到35公里。

　　竇賢康：5到35公里。

　　現(xiàn)在能不能把它的分辨率搞得更低呢，現(xiàn)在新的口徑是80厘米。

　　工作人員：可以，這個我們記錄的時候都按7.5米記的。

　　竇賢康：按7.5米記。

　　工作人員：累計一下，分辨率可以調(diào)。

　　竇賢康：可以調(diào)，對。

　　工作人員：而且這個臨風層也比較清楚。

　　竇賢康：臨近空間為什么在過去研究得比較少？過去這個區(qū)域內(nèi)人類活動比較少。空間物理研究比較奇怪，兩頭搞得比較清楚，中間不明白。空間物理研究是從對流層開始一直研究到太陽表面。在幾百公里、幾千公里搞得比較清楚，因為有大量的衛(wèi)星運行，通過探測可以把這個地區(qū)的狀況搞清楚。太陽表面可以通過觀測設(shè)備搞清楚，地面10公里以下有各種各樣的雷達可以搞得很清楚，唯一不太清楚的就是從地表面開始20-100公里的區(qū)域。因為大氣非常稀薄和干凈，沒有反射物，很難探測，導致這個區(qū)域的研究相對滯后于其他領(lǐng)域。

　　為什么要加強對中高層大氣的研究？ 

　　中高層大氣里既然大氣這么稀薄，怎么樣去探測這樣一個大氣海洋，這是擺在空間物理學家面前一個非常難的課題。難在哪？衛(wèi)星下不來，衛(wèi)星的軌道高度是不能太低的。在低軌道上，很難維持衛(wèi)星長期有效的運轉(zhuǎn)，通過衛(wèi)星的運動，判斷大氣的狀況變得不可能了。因為高度很高，地面的設(shè)備，探空氣球又很難飛到幾十公里以上的高度。正因為這些原因，導致我們在這些區(qū)域里面探測存在一些困難。探空火箭非常好，可以把穿越軌道上的大氣要素搞清楚，它的優(yōu)點是時間精確度很高，缺點是它造價很高，打一次探空火箭需要幾百萬人民幣，所以不能反復地打火箭，導致人類對這個區(qū)域的探測處于相對空白的狀態(tài)。

　　從普通雷達到激光雷達 

　　在講探測大氣之前，給大家做一個科普性的介紹。大家知道我們探測所有的東西，進行遙感探測，進行遠距離探測常用的是雷達。二戰(zhàn)時期，德國和英國作戰(zhàn)，德國的空軍力量比較強大，但是英國發(fā)明了雷達，它發(fā)出一個電磁波，碰到一個物體的時候會反射回來，你利用發(fā)射波和接收波之間的時間差，乘上光速再除以2，大概知道反射物在什么位置。根據(jù)發(fā)出的電磁波，它反射回來波的能量的大小不同，大家可以想象一下，一個小球和一個大球，在同樣距離上，發(fā)一個電磁波，獲得的能量是不一樣的。通過雷達波返回的時間差和返回能量的高低，可以大體上反映飛機的位置，這樣能夠準確地知道德機來襲的數(shù)量以及它現(xiàn)在飛機所處的位置，這樣再去防衛(wèi)和攻擊變得比較有效。

　　雷達基本原理用下來，人類的無線電波，大體上有米波、厘米波、毫米波等各種各樣不同波段的波。一個波打到一個物體上，當波長比物體大很多的時候，返回的能量是比較小的。物體本身有比較強的回波，發(fā)射出來一個波，大體上和探測物體的尺寸相當。現(xiàn)在探測一個飛機比較容易，因為飛機很大。但是如果我們?nèi)ヌ綔y高空大氣，在10公里以上，20、30公里之間，還有一些火山各種因素導致的氣溶膠，只要有氣溶膠，波打上去回波就很強。

　　再往上，30公里以上，只有純凈的大氣，這里邊所有顆粒的尺寸多大呢？10的負9次方到10的負10次方米，這個地方只有空氣的分子。在低空探測可以探測雨滴和云滴，但是雨滴再小比空氣分子的尺寸要大很多，所以可以用厘米波雷達探測它，有雨滴的時候，可以用厘米波，甚至用更長的波段探測，但是在30公里以上，就沒有別的更好的辦法了。這個時候大家可以想象得出來，這個層面上唯一能做的是用激光探測它，因為激光的波長大致上和分子的尺度相當。

　　【外景】 

　　工作人員：可以看到它這里面有點重力波的信息，有點波動。

　　竇賢康：對，有點。它有點上下波動。

　　工作人員：要認真分析一下。

　　竇賢康：這次在做實驗的時候，跟他們（探空）氣球比對了嗎？

　　工作人員：比了，非常好。效果很好。

　　竇賢康：效果很好，是吧？

　　工作人員：這回是背靠背的。

　　竇賢康：好的，這樣我覺得可能到將來我們再為它研制一些，到這個雷達后邊的光學，看看信噪比能不能再提高一點，提高可以把雷達做得更小。

　　竇賢康：激光還有兩個非常重要的特性。首先有非常強的方向性。另外，激光有非常好的頻率的單色性。如果激光的單色性不好，會有大量的太陽相關(guān)波段附近的能量隨著激光同時回來。激光雷達的基本原理，發(fā)射一個激光，向空間穿越的過程里，會在路徑上受到大氣的散射。在不同高度的大氣，不同時間散射回來的，后面利用簡單的接收光路可以把激光穿越大氣的狀態(tài)準確地搞清楚。

　　對于探測中高層大氣而言有幾種辦法：一種是激光雷達，一種是微波雷達，一種是探測火箭。只有激光雷達能夠覆蓋從近地面到100公里，現(xiàn)在正在做國際上最好的激光雷達。

　　這一部分工作是過去二三十年間，進行激光雷達探測的主要進展。根據(jù)回波的能量，可以把大氣溫度、密度測出來，武漢大學山頂上的光可以打到80-100公里，根據(jù)重金屬原子的共振、熒光的吸收，可以看出中高層頂?shù)拇髿鉅顩r。

　　中高層大氣風場探測難在哪？ 

　　竇賢康：中高層大氣的風場探測難度在哪呢？中高層大氣它在運動的過程里面，學過熱學大家知道，在我們現(xiàn)在的房間里，在室溫的條件下，這里氣體分子在雜亂無章地運動，運動的平均速度是500米每秒。放到高空之后，大氣里面的分子各個方向的運動都有。有一個宏觀的整體運動，就是我們能夠感覺到的風，在雜亂無章運動過程里，我們激光打過去，是每一個大氣分子散射的總和，這樣大家可以看到黃色的一部分。激光打上去之后，即使是完全單色的光，回來之后，由于氣體分子在視線方向上，有的遠離你去，有的向你撲過來，而且速度很快，比它宏觀運動要大得多。

　　這個情況下接收到的激光本身，就是圖上的黃色部分，是有幾個赫茲的展寬。假設(shè)大氣不動就會得到一個穩(wěn)定的譜，但是這個譜是一個理想的譜。由于我們電子器件的原因，要得到的圖是抖動的圖，邊是不光滑的，是帶有毛刺的，假設(shè)大氣不動的話得到這樣的譜（理想的譜）。如果大氣運動，這個譜就會左移或者右移。如果移動帶來每秒10米的風速，移動會非常小。因為譜本身是由于熱運動速度導致的，是幾百米每秒量級帶來的展寬。當風速很小，要將風速測量精度提得很高的時候，黃色的移動部分很小，而且黃色本身又是不光滑。抖動是由于移動導致的，還是由于信號本身晃動導致的，就很難判定。這是大氣里面，測風速最難辦的問題。

　　【外景】 

　　竇賢康：現(xiàn)在白天觀測做完以后，我覺得基本上除了正午以外應(yīng)該都沒什么問題了。

　　工作人員：對。一宿基本都是連續(xù)下來的，然后到了早上七點鐘的時候天就亮了，有點暗了。

　　竇賢康：現(xiàn)在按照這個設(shè)計指標的話，如果白天觀測部分做完的話，那個信噪比能提高多少呢，就是能把這個噪聲的指標壓低多少？

　　工作人員：現(xiàn)在我感覺應(yīng)該能壓到跟晚上是一樣的。

　　竇賢康：接近一樣。

　　竇賢康：我們攻克了這些技術(shù)以后，開始研制出成體系的測風激光雷達。這是國際上并行做的測風激光雷達工作的幾家單位，左上角的雷達放在法國的普羅旺斯地區(qū)，也是我當時在法國留學的實驗室。這個設(shè)備的意義很大，是人類歷史上第一次可以檢測到60公里以上大氣的風場。中間是美國做的測中高層大氣風場設(shè)備，右上角的衛(wèi)星是進行全球大氣風場的測量。

　　到目前為止，我們還沒有辦法去測量全球的風場。如果要進行全球風場的測量，全球要布多少雷達才能測得出來？所以進行全球風場的測量必須用衛(wèi)星。這是很早一段時間，計劃中世界上首臺測風激光雷達。放一臺到衛(wèi)星上去，通過衛(wèi)星軌道的變化，對全球中高層大氣，包括平流層、對流層的風場進行全球測量。

　　從激光雷達到量子激光雷達 

　　【外景】 

　　工作人員：這邊是一個新機理的實驗。大起來它要復雜得多，我們用到了聲波、電光、調(diào)制，然后這樣我們要比對手又要降五十倍的功率，我們要實現(xiàn)一樣的高信噪比的探測。

　　竇賢康：歐洲在上個世紀末，提出了著名的“風神計劃”，把激光雷達放到衛(wèi)星上進行全球風場的測量。要進行全球風場的測量，就必須要通過衛(wèi)星來做，歐洲這個計劃成形的時間已經(jīng)非常長。大概是90年代末提出來的這樣一套系統(tǒng)，提出到今天，這個計劃已經(jīng)被推遲發(fā)射好幾次，它的原因在哪？因為既然從高空往底下來進行探測，就需要比較強的激光，激光能量越來越大的時候，往往會把光路里面的某一個鏡片燒壞。在這樣的過程里，激光雷達在地面很容易做，燒壞了擰下來換一個就可以重新開始工作了。但是衛(wèi)星上不行，因為上面沒有人，沒有辦法更換器件。

　　如何在大功率條件下，實現(xiàn)穩(wěn)定地、長期地觀測，就變成是一個難題。這樣前提下我們有另一個辦法，發(fā)展出來一套系統(tǒng)，叫量子激光雷達，這也是我個人做到今天的科研工作里最得意的一件事情。

　　【外景】 

　　學生：校長，您好，我有一個問題，就是量子激光雷達跟傳統(tǒng)雷達原理上有什么不同，它有什么比較顯著的優(yōu)點嗎？

　　竇賢康：傳統(tǒng)激光雷達，要通過提高能量和提高接收望遠鏡的面積來實現(xiàn)，但量子激光好在哪？我通過單光子的操作，可以降低它的噪聲水平和提高它的工作效率。實現(xiàn)過去傳統(tǒng)上通過能量提高和望遠鏡口徑提高，來實現(xiàn)性能上的提高。后面我們通過超導的辦法，能夠把它非常弱小的信號檢測出來，我們的提取和檢測都基本上做到極致，這就是基本上目前技術(shù)條件下，我們能想象出來的激光雷達極限。

　　【提問】 

　　學生：您好，剛才您提到量子激光雷達是探測中高層大氣的利刃，您認為我們國家大概什么時候能夠完成星載激光雷達？

　　竇賢康：量子技術(shù)最突出的優(yōu)點，有比較高的探測效率，這也是將來能夠上星非常重要的步驟，現(xiàn)在通過科學院的“鴻鵠計劃”，先把它放到球載技術(shù)上做。

　　【新聞報道】 

　　中國科學院A類戰(zhàn)略性先導科技專項“臨近空間科學實驗系統(tǒng)”（簡稱“鴻鵠專項”）日前啟動。鴻鵠專項將突破一系列關(guān)鍵技術(shù)，建成我國首個臨近空間科學實驗系統(tǒng)。

　　竇賢康：球載做完以后把它安全性、可靠性、穩(wěn)定性驗證完之后，我有一個夢想，這輩子能在科技上干成的最后一件事情，希望能把中國的星載測風激光雷達做出來。