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开创大气探测新时空 |
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“全高程、全天时大气探测激光雷达”研制纪实 |
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■本报记者 鲁伟 通讯员 罗芳
在湖北省武汉市小洪山麓，每当夜幕降临，天气晴好时，周边的居民就会看到两条美丽而神秘的激光射向天空。
激光的发射地，是中国科学院武汉物理与数学研究所大楼。就在不久前，一则荣获国家技术发明奖二等奖的喜讯打破了科研园区原有的平静。
作为“神秘激光”的创始人，今年已近70岁的龚顺生研究员心潮澎湃。这项名为“全高程、全天时大气探测激光雷达”的科研成果不仅凝结了他和团队成员20年的心血，更为重要的是，这一具有自主知识产权的新型技术将开创我国大气探测激光雷达新的时空。
“两全其美”的新时空
说起“全高程、全天时”，记者不免觉得晦涩和绕口。而这却正是龚顺生为之得意的地方。他告诉记者，目前像他们这样仅用一台激光雷达，就可实现大气探测时间和空间全覆盖的科技成果，国内没有，国际上也不多见。
据龚顺生介绍，传统的大气探测激光雷达，只能是低、中、高程各探一段，要实现对现有探测高程的覆盖，至少得同时使用米氏散射、瑞利散射和钠层荧光三种不同的激光雷达。
而且，由于激光雷达利用大气中原子分子对激光的散射产生回波，其回波强度非常微弱，使白天的太阳光成为致命的背景干扰，导致绝大多数激光雷达只能在夜间工作。
为了突破激光雷达时空连续性的限制，龚顺生团队通过运用自主的专利技术，发明了一种新型激光雷达，实现了从近地面直到约110公里的全高程探测，并同时实现了对部分低中层和全部高层的全天时（昼夜连续）探测。
目前，该发明已被选为国家重大科学工程——“子午工程”中，北京、合肥、海南三个激光雷达台站的共同技术方案；同时还成为中国科学院和国家气象局两级空间环境监测与预报中心的子台站，负责对我国中高层大气环境的监测，并已在神舟飞船的发射和回收，北京奥运期间卫星的通信安全等活动中执行了空间环境保障任务。
转型20年跨出三大步
2012年2月14日，国家科学技术奖励大会在北京隆重召开，龚顺生应邀到人民大会堂领奖。成功与收获的喜悦溢于言表，自己20年的研究转型之旅也一幕幕涌上心头。
上世纪90年代初期，中科院要求科研工作要面向国民经济和国家需求，同时鼓励学科交叉，在这一大背景下，年届50的龚顺生开始考虑科研转型。当时，他主要从事原子分子光谱基础研究，正好研究所里有一个学科方向是空间物理，于是就想到将二者交叉，发展先进的空间物理探测技术。
“那时候国内做激光雷达的单位很少，主要集中在低空探测。中高层大气探测尚属空白，于是我们就把目光集中在这一块。”龚顺生回忆说，虽然起点有点高，但是凭借多年基础研究积累的成果，他们很快就有了突破。
1998年，龚顺生团队研制出两台分别用于中、高层大气探测的激光雷达，获得中国科学院科技进步奖二等奖。“这是我们迈出的第一步。”龚顺生笑着说。
转型成功后，龚顺生团队开始在业内有了影响，并得到“子午工程”的青睐。2005年，为配合“子午工程”建设，龚顺生团队利用专利技术，研制成功“双波长高空探测激光雷达”，在国际上首次实现了一台激光雷达同时对中、高层大气的探测。
迈出第二步后，龚顺生团队并未被成绩冲昏头脑，而是将目光继续投向前方，着手研制高空全天时激光雷达，同时不断提升激光雷达的技术和功能，最终发明出被称为第三代的“全高程、全天时大气探测激光雷达”，为我国大气与空间的探测研究与监测应用提供了全新的手段。
老骥伏枥 志在千里
在接受记者采访时，龚顺生反复强调：“大气层是一个整体，所谓的低、中、高层只是我们人为的划分。因此，要认识大气层的全貌，还是需要从整体出发。”所谓的整体就是探测时间和空间上的连续。
据龚顺生介绍，为了实现“全高程”的目标，他们发明了一种双波长发射，低、中、高三通道同时接收的技术：即利用两次倍频余光复用技术，使一台激光器同时产生两种发射波长，分别用于低、中层大气和高空钠层的激发；利用双光纤焦面分光技术，使一台大型望远镜同时用于对中层大气和高空钠层的回波接收，再采用一台小型光接收器接收低层大气的回波。
而在对“全天时”目标的攻关中，他们的研究重点是如何消除太阳对信号的干扰，实现强背景下寻找到弱信号。为此，龚顺生团队摒弃了传统的光学滤光方案，凭借“老本行”原子分子物理的积累，研制成功透射带宽极窄极稳的新型钠原子滤光器，再配合独特的脉冲染料激光原子自动稳频技术，实现了对大部分高程的全天时探测覆盖。
在新型激光雷达的研制发展过程中，龚顺生团队还在国际上首次发现并命名了“双钠层现象”，该发现改变了传统“单钠层”的理论认识，得到了本领域国际上几位著名同行专家的肯定。
对于团队取得的成果，追求完美的龚顺生仍感欠缺。目前“全高程、全天时大气探测激光雷达”在高度和时间的覆盖上已经取得了不错的成绩，但是在这个空间里，激光雷达能探到什么是一个有待解决的重要问题。龚顺生向记者透露，下一步他们将瞄准大气的动力学、热力学探测技术研究，继续研制“全高程风温探测激光雷达”，目前该研究已经列入国家自然科学基金委重大仪器设备专项。
“这又将是一个新的挑战。也许5年，也许10年，但必须有这样一个目标。”龚顺生坚定地说道。
《中国科学报》 (2012-03-08 A6 专题)
