激光雷达探测中高层大气的主要参数包括大气密度、温度和风场 。 其中 ， 风场是中高层大气最重要的动力学参数 ， 是中高层大气全球环流的直接体现 ， 也是中高层大气最难测的参数 。 精确的大气风场探测对数值天气预报、气候模型改进、生化气体监控、机场风切变预警等具有重大意义 。
窦贤康介绍风场测量的难度 。 如前所述 ， 中高层大气主要以大气分子为主 。 由于大气分子本身的热运动 ， 我们发射一束激光被大气分子散射 ， 散射激光频谱会产生展宽 。 如果大气分子随风场运动 ， 这个展宽的光谱就会产生频移 。 对这个频移量的精确测量可以估计大气的风速 。 对频移测量的主要技术难点是散射激光光谱展宽大、风场产生频移量小以及被散射激光信号微弱 。
国际上以及窦贤康团队都在研究的一种解决方案是 ， 使用“双边缘技术”检测微小激光频移 ， 通过光学鉴频器将微弱光信号的频移转化为信号强度的相对变化 。 “这个用处很大 ， 可以有效探测高空的风场 。 ”
创新性利用量子探测技术提高激光雷达性能
【窦贤康院士：用量子激光雷达解决中高层大气探测难题】实际上 ， 全球风场测量还面临以下挑战：在激光功率、望远镜面积受限的条件下 ， 大幅度提高探测信噪比；在基地、气象站等人员密集场所保障人眼安全；在机载、星载平台 ， 克服强振动、温差大等环境的干扰 。
“激光雷达的性能提升中有两个因素 ， 一个是接收散射光子的望远镜口径 ， 一个是激光能量 。 由于高空大气分子散射信号很弱 ， 要提升激光雷达的性能 ， 一方面要增大望远镜的口径（面积） ， 这就导致激光雷达尺度很大 ， 造价很高 ， 不利于在卫星平台工作；另一方要提升激光器能量 ， 这会导致高功率激光烧坏光学镜片等问题 ， 这是星载激光雷达所面临的技术难题 。 ”窦贤康指出 ， 除此以外 ， 激光雷达还面临另一个问题：白天由于阳光影响 ， 可见光波段的激光雷达信号往往很差或者无法工作 。
因此 ， 他们创新思路 ， 与潘建伟院士团队张强等人合作 ， 利用光量子探测技术 ， 通过提高激光雷达探测的量子效率来提高激光雷达信噪比 ， 而不需要增加激光能量或者望远镜口径 。
“过去 ， 我们使用红外激光进行大气探测 ， 红外激光好处是大气穿透性较强 ， 受阳光影响小 。 但激光雷达对于大气散射的红外光子探测效率比较低 。 所以 ， 我们和潘建伟院士团队合作 ， 利用单光子频率上转换技术 ， 把大气散射回来的红外激光光子转换成863纳米的可见光光子 ， 使用探测效率更高的硅探测器进行探测 。 这样 ， 可以有效提升激光雷达探测效率和性能 。 ”
近年来 ， 他们通过攻关量子（单光子）频率上转换和全光纤激光雷达集成等一系列关键技术 ， 在国际上首次建成单光子频率上转换量子测风激光雷达 ， 该雷达突破了常温下探测红外单光子的量子效率极限 ， 探测信噪比优于传统激光雷达3个数量级 ， 为高精度、高时空分辨的中高层大气探测奠定了基础 。
窦贤康团队也在国际上首次实现基于超导纳米线单光子探测器的测风激光雷达 ， 获得空间分辨率为10米、时间分辨率10秒的最高精度的风场探测 。