许文艳 李晖

2020年10月，由兰州大学大气科学学院黄建平教授、黄忠伟教授领衔的雷达智造团队建设的“一带一路”激光雷达网若羌站揭牌，标志着该雷达观测网国内段7个站全部建成。将来在国外将布置若干站，这些雷达站均以兰州大学自主研发的多波段拉曼偏振激光雷达为主要监测仪器。

团队构建的立体观测体系，可为“一带一路”沿线国家和地区提供高精度、高分辨率的气象灾害预报预警，可服务铁路和物流运输，还将在全球气候变化研究等领域发挥积极作用。

兰州大学雷达智造团队的激光雷达研发之路已经走过了14个年头。这个14年的激光雷达研发故事，要从一场跨专业保研说起。

“追光”，萃英山下的对话

“你了解激光雷达吗？”

“你以后有信心造出来吗？”

2006年的秋天，在兰州大学跨专业保研面试现场，大气科学学院黄建平教授这样问黄忠伟，当时黄忠伟在物理科学与技术学院读大四。

激光雷达能够收集到距地表几十公里范围内大气中的污染物、水汽和云的分布情况的观测数据。当时激光雷达从国外进口，不仅造价昂贵，而且它们还很难适应气候干、温差大、颗粒物浓度高等西北地区干旱半干旱的气候条件，这些“水土不服”的雷达常常不能正常使用。所以兰大人梦想着造出自己的激光雷达。

保研通过后，黄忠伟收拾好自己的行李，像其他保研本校的学生一样，准备前往城关校区完成毕业论文。此时他接到黄建平教授的电话：“你不要到市区来了，直接上萃英山顶。”

萃英山顶上坐落着当年刚刚建成的兰州大学半干旱气候与环境观测站。就是在这里，黄忠伟第一次接触到了激光雷达，还把它拆了。

150万元人民币，这是2006年初兰大从美国购买一台激光雷达的价格。这台架在萃英山顶的激光雷达出现故障，黄忠伟拿着一把螺丝刀就把它拆了。

“黄建平老师见了，说我胆子真大。周围都是本科学大气的同学，他们都不敢拆这么贵的一台机器。我本科是物理专业，四年都在做力、热、光、电的实验，凡是仪器坏了都习惯拆开看看。拆了真不一样，学到了不少东西。”黄忠伟说。

2009年秋，在黄建平教授的协调帮助下，黄忠伟前往日本东北大学进行联合培养。他此行的目标很明确，就是要把激光雷达技术学到手。在日本，黄忠伟不仅学习到了激光雷达技术，还掌握了额外的一项“超能力”——荧光多波段测量。

“还记得在日本期间，我凌晨5点还在空无一人的实验室里测量荧光，只能听见窗外乌鸦的叫声。”凭借不懈努力，黄忠伟和导师终于在2014年成功研制出了屬于我国的第一台多波段拉曼-荧光激光雷达。

“韬光”，改进硬件技术

2011年，黄忠伟学成回国，在兰州大学组建了激光雷达实验室。2014年1月，在这个小小的两间总面积不到40平方米的“雷达加工车间”诞生了我国第一台多波段拉曼-荧光激光雷达，并成为生产其他雷达的参考标准。6年间，他们先后制造了14台激光雷达。如今，在兰州大学激光雷达大气遥感实验室里，摆放着的两个大小不一的“黑箱子”就是第二代多波段拉曼-荧光激光雷达。

激光雷达由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。

“每台雷达就像一个baby一样，制造出来很不容易，从最开始用SolidWorks软件画图设计，到对一个个零配件进行组装、调试，都是我们一步一步亲手做的。”黄忠伟说。

在多波段拉曼-荧光激光雷达被研制出来之前，市场上已经有了多波段激光雷达、拉曼激光雷达和荧光激光雷达，但真正把“多波段”“拉曼”“荧光”这些不同元素组合在一起并非像“1+1+1=3”这样简单，而是需要克服它们之间相互干扰的因素，反复试验才能得到最优组合的多波段拉曼-荧光激光雷达，真正实现大气气溶胶（所谓气溶胶，一般指大气颗粒物，是大气中存在的各种固态和液态颗粒状物质的总称）全荧光光谱的精细探测。

如果把单波段激光雷达比作给大气中的颗粒物拍摄照片，拍出来的照片只是平面的，多波段激光雷达就像是拍摄多维度全景照片，让我们可以看到大气颗粒物的不同侧面，测出的大气数据更加全面、立体、精准。

黄建平教授介绍，“荧光”是大气中悬浮的“粒子”释放出来的，它不光是沙尘，还有微生物或有机物悬浮。“多波段”加上“荧光”的加持，能看到20公里以外的细菌病毒！

如果将硬件技术比作雷达的躯干，反演算法则是雷达的大脑。好的硬件提供优质的信号，好的算法计算出精准的数据，二者相辅相成。基于激光雷达的高精度反演算法是黄忠伟团队的又一核心成果。

“发光”，用于大气遥感与环境监测研究

“既有硬件设计，又有算法开发，还有后期的应用，我们整个研发产业链是完整的。”黄忠伟说。

黄忠伟团队制造的激光雷达，不仅可用于大气雾霾探测的研究及预警，还可用于卫星数据校正、气象观测、气象干预等领域，例如雷达收集到的关于云层的信号可转化为云层的数据，供气象部门人工降雨时参考。“人工降雨需要用高射炮往云层里打催化剂，什么时候打、打多少、怎么打，都需要数据提供精确指导。”黄忠伟教授说。

14年里，黄忠伟团队在数据采集控制软件、雷达控制系统、数据显示系统等方面，研发了6项国际、国内发明专利，以及4项计算机软件著作权。

“聚光”，布局“一带一路”雷达观测网

2017年，这是黄忠伟和黄建平的又一场对谈，距离上次保研考核已经过去了10多年。

“‘一带一路激光雷达网，你敢不敢建？”黄建平问。

黄忠伟说：“咱就做呗，就是多加点班。”其实当时刚博士毕业5年的黄忠伟心里也没底，要知道2017年之前，激光雷达都是被当做“瓷娃娃”摆在实验室里的，要想走出实验室到“一带一路”去，这里面涉及研发、工程、沟通多方面的问题。

激光雷达属于精密的光学仪器，对电力、網络和环境温度的稳定都有很高的要求，不满足要求的话，一台价值百万元人民币的激光雷达就可能面临报废的风险。

当团队成员对激光雷达走出实验室还心存顾虑时，黄忠伟主张，只有把激光雷达布出去，我们才能发现问题，解决问题。制造装配式激光雷达——让雷达“进箱子、走出去”的方向才正式确定了下来。

在零下2 0℃的乌鲁木齐环保局楼顶上，黄忠伟团队一起守着第一个布出去的雷达20多天。这次经历为他们日后研究装配式激光雷达提升保温性能、加装续航电池、安装停电报警系统，进而提升它对外界环境的适应力积累了经验、打下了基础。

、解决了激光雷达走出去的问题，下一步就是如何让它走得远了。

在黄忠伟办公室墙上贴着一张“一带一路”激光雷达观测网的全景地图，它东起兰州，西至阿尔及利亚，共14个站点，跨越直线距离8000多公里，可获得全球干旱半干旱区的大气监测整体数据。用红旗标注着已建成的站点，黄旗标注的是将要建设的站点。每个雷达站根据观测需求，分别设置了单波段、多波段、有无荧光等不同功能组合的激光雷达。

“‘一带一路激光雷达观测网的建设具有科学研究、人才培养、国际合作这几方面价值。”黄忠伟说。通过部署激光雷达观测网，可以追踪“一带一路”沿线大气中沙尘的来源，分析高空中沙尘的走势，有利于更加了解我国沙尘天气的成因。

截至2020年9月，参与激光雷达智造项目毕业的本科生、硕士、博士研究生已达30人，他们毕业后还在从事与大气污染监测相关方面的研究。

中方提供激光雷达和相关检测设备，“一带一路”国家提供场地环境，双方加强国际合作。“2019年我们还前后邀请了塔吉克斯坦科学院乌马罗夫物理技术研究所、巴基斯坦白沙瓦大学的5个青年专家来校访问，对他们进行培训，回国之后他们也可以对‘一带一路雷达站进行设备的维护了。”黄忠伟说，“巴基斯坦白沙瓦大学还计划建立一个大气科学学院，希望我们这边提供师资进行授课。”

几乎每个夜晚，兰州大学城关校区12号学生公寓附近，几个白色铁皮箱发出道道绿光，铁皮箱上写着——拉曼偏振激光雷达。过不了多久，这些白色铁皮箱将会搭乘中欧班列，前往塔吉克斯坦和巴基斯坦。未来，更多的激光雷达将通过装配运输的方式被送往“一带一路”沿线国家。一带一路，点点绿光，串联起来，编织成一张跨越上万公里的激光雷达观测网。通过国际合作，共同开展对大气成分的监测、研究。

黄建平团队在不断提升激光雷达探测功能、反演算法精度、做好应用开发的同时，现已着手将“一带一路”激光雷达观测网收集到的数据通过网络平台予以公开，实现数据共享，希望更多人参与进来，为相关研究打开一扇更广阔的大门。