大氣氣溶膠主被動遙感探測應用技術進展

劉思含　周春艷　毛學軍　高彥華　吳艷婷　楊一鵬　趙少華　姚延娟

(環境保護部衛星環境應用中心/國家環境保護衛星遙感重點實驗室)

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大氣氣溶膠主被動遙感探測應用技術進展

劉思含周春艷毛學軍高彥華吳艷婷楊一鵬趙少華姚延娟

(環境保護部衛星環境應用中心/國家環境保護衛星遙感重點實驗室)

【摘要】大氣氣溶膠廣泛影響著地球的氣候與環境，尤其是日益嚴重的顆粒物污染已對公眾健康和生態安全構成了巨大的威脅。面對我國空氣重污染的現狀，大氣污染治理急需對氣溶膠及其光學特性進行大范圍、高頻次、高精度、立體的遙感監測和定量分析。目前，氣溶膠遙感監測有多波段、多角度、偏振等被動探測方法，也有激光雷達結合高光譜、偏振的主動探測方法。本文在分析國內外大氣激光雷達衛星載荷的基礎上，分析了目前基于主動、被動遙感探測手段的氣溶膠遙感監測應用研究進展，研究發現激光主動探測在大氣環境定量監測中的作用更加突出，主被動結合、多手段綜合是大氣環境監測衛星的發展方向。

【關鍵詞】氣溶膠；大氣遙感監測；激光雷達

1引言

大氣氣溶膠廣泛影響著地球的氣候與環境，尤其是日益嚴重的顆粒物污染已對公眾健康和生態安全構成了巨大的威脅。常規的地面監測由于監測站點數量有限和分布不均，難以準確獲取污染物的空間分布和傳輸路徑，因此需要遙感手段提供重要的補充信息。衛星觀測可以提供大范圍的大氣氣溶膠監測結果，甚至對特定地區進行掃描，具有廣泛的應用價值[5]。目前衛星遙感進行大氣環境監測主要以被動觀測為主，被動觀測具有覆蓋范圍大、時間分辨率高等優點，但不能提供大氣垂直廓線信息，且探測精度有限。激光雷達是一種主動式現代光學遙感設備，它以激光為光源，通過探測激光與目標物相互作用而產生的輻射信號來遙感目標物。激光雷達工作頻率較微波高，具有高分辨率、高亮度性、高單色性、高相干性和高方向性等特點，已經成為目前對大氣、海洋和陸地進行高精度遙感探測的有效手段[1]。其中，大氣激光探測雷達在環境監測、氣象學研究等方面具有明顯的優勢和廣闊的應用前景[3]。激光雷達監測環境大氣的工作原理是通過激光器發射激光脈沖，與大氣中的氣溶膠及各種成分作用后產 生后向散射信號，系統中的探測器接收回波信號，并對其進行處理分析，從而得到所需的大氣物理要素[2]。大氣激光雷達通過主動向地球大氣層發射激光，接收大氣層中顆粒物、氣溶膠、云層、大氣分子的后向散射回波信號，能夠以高垂直分辨能力精確測量大氣氣溶膠和云的光學特性參數剖面，獲得氣溶膠散射系數廓線、消光系數廓線、光學厚度、邊界層高度、云頂高度和云的垂直分布，以及全球CO2柱總量等重要的大氣環境參數，能夠彌補被動觀測的不足。

本文在分析國內外大氣激光雷達衛星載荷的基礎上，分析了目前氣溶膠遙感監測應用研究進展，論述了大氣激光雷達在我國大氣環境監測領域應用的前景。

2國外氣溶膠探測發展現狀

2.1國外大氣探測相關衛星發展現狀

從上世紀八十年代開始，美國NASA組織并實施了一系列環境監測衛星系統建設計劃。1983年，NASA制定了EOS計劃，1991年NASA發起ESE(EarthScienceEnterprise)計劃，銜接和包含了EOS計劃[4-5]。ICESat是美國EOS計劃中的一顆雙波長激光雷達衛星，獲取了大量冰層高度和氣溶膠探測數據[6]。A-Train是由NASA主導的多國合作聯合對地環境觀測計劃，由在軌的Aura、Aqua、PARASOL(脫軌)、CALIPSO、Cloudsat、OCO-2 、GCOM-W1等多顆衛星構成。這些衛星均由NASA的地面設備進行控制，可在23分鐘時間內對同一區域進行連續觀測，獲取陸表、氣溶膠、云、痕量氣體、溫室氣體等數據。其中，Aura是美國EOS計劃中的一顆用于大氣化學成分探測的衛星，攜帶了可對全球SO2、NO2、O3進行探測的OMI及其他紅外臨邊、太赫茲等大氣成分探測儀器；Aqua是美國EOS計劃中針對全球水環境進行探測的衛星，攜帶了MODIS等儀器；PARASOL是法國一顆專用于大氣云和氣溶膠多角度偏振成像的衛星；CALIPSO是一顆通過激光雷達主動探測手段對云和氣溶膠進行探測的衛星；Cloudsat是一顆攜帶了測云雷達的專用測云衛星。這些衛星在同一軌道依次飛過同一目標，有利于衛星之間的數據融合反演，在國際大氣環境反演領域具有較高的地位[7-10]。

EOEP計劃是歐空局(ESA)地球環境觀測戰略的骨干部分，從2000年開始至今，主要包括ENVISAT、METOP系列、EarthExplorers計劃、GMES(全球環境與健康管理計劃)等[11]。在成功運行的十余年間，EOEP在地球環境觀測方面給出了大量持續、科學的觀測數據。EarthExplorer計劃包括了GOCE、SMOS、CryoSat2等科學探測衛星，還包括了激光測風雷達衛星ADM-Aeolus(計劃2016年發射)和EarthCARE(計劃2018年發射)兩顆激光雷達衛星[12-14]。GMES涉及的領域包括大氣環境變化、陸地、海洋、緊急情況響應等[15-16]，主要包括五型哨兵系列衛星，涵蓋多光譜、高光譜、紅外探測、偏振成像等技術體制。其中哨兵四號、五號先驅和五號均為大氣環境專用衛星，分別攜帶了UVN、TROPOMI、3MI等大氣高光譜/偏振探測儀器。

2.2國外氣溶膠探測發展現狀

氣溶膠遙感探測與反演有三個核心難點，包括大氣散射模型的建立、地表背景輻射的扣除和氣溶膠參數反演。其中，地表背景扣除和氣溶膠微物理參數反演較強的依賴于多光譜、多角度和偏振信息的完整性。盡可能獲取完整的大氣散射光信息，對于氣溶膠微物理特征的探測極為關鍵。氣溶膠被動探測主要采用多光譜手段、偏振+多角度探測手段，主動方式可采用激光雷達。

2.2.1多光譜手段氣溶膠遙感探測

多光譜手段是最早的氣溶膠遙感反演手段，屬于標量探測手段。其基本探測機理是在成像區域尋找暗像元以獲取暗像元上空多光譜(0.47～2.12μm)的大氣程輻射，進而反演得到大氣氣溶膠光學厚度以及氣溶膠微物理特性。其優點為覆蓋率較好，缺點為在亮地表區域不具備氣溶膠探測能力，由于沒有多角度和偏振信息，其氣溶膠微物理模型的建立也相應較為簡單，反演精度偏低。

美國TERRA及AQUA衛星上的中分辨率光譜成像儀MODIS(MODerateresolutionImagingSpectro-radiometer)是標量氣溶膠探測的典型載荷，是目前應用最廣泛，算法最成熟的氣溶膠反演儀器。其氣溶膠光學厚度產品可作為遙感反演時的重要輸入[17-18]。日本GOSAT衛星配備了一個四波段相機(TANSO-CAI)作為大氣同步校正的氣溶膠參數探測儀器。但其早期氣溶膠反演精度不足。后期通過改進算法，利用380nm波段與其他衛星的(400nm，412nm)的探測數據聯合估計氣溶膠折射率虛部的特性，提升了氣溶膠參數的反演精度。日本新一代靜止氣象衛星Himawari具備3個可見光通道和13個近紅外及紅外通道，可見光的空間分辨率500m，全圓盤時間分辨率10min。具備了氣溶膠監測的能力。

此外，也有學者在多光譜探測基礎上加入多角度信息，提高氣溶膠反演的精度。VanDonkelaar等通過把MODIS/MISR觀測數據中獲得的氣溶膠光學厚度數據與全球化學傳輸模型GEOS-Chem相結合，制作出全球平均氣溶膠光學厚度AOD分布圖，并基于全球化學傳輸模型得到全球PM2.5年均濃度分布圖[19]。

2.2.2偏振+多角度手段氣溶膠遙感探測

多角度偏振技術是國際公認的氣溶膠觀測有效技術方案。法國和美國采取了兩種完全不同的技術路線，兩種路線在指標的滿足能力上有不同的側重性取向。

法國研制的偏振有效載荷POLDER主要用于探測大氣云、氣溶膠、陸地表面和海洋狀況。此后，法國研制PARASOL衛星偏振有效載荷，將POLDER中的443nm波段更改為490nm波段，以降低分子散射的影響，PARASOL通過大視場鏡頭加面陣CCD實現成像及多角度觀測。光學系統中偏振片和濾光片安裝在探測器與最后透鏡之間的旋轉輪上，實現分光以及偏振解析，通過光楔進行運動補償。PARASOL的有效載荷主要技術指標如下表所示[20-21]。目前該衛星已經失效。

表1　PARASOL的有效載荷主要技術指標

下一代星載氣溶膠偏振測量儀器(APS)是美國基于地球觀測掃描偏振計(EOSP)最新研制的偏振測量載荷[22]。APS采用沿軌掃描方式工作，獲取大氣多角度偏振信息，工作波段從可見近紅外延伸至短波紅外。APS采用渥拉斯頓棱鏡進行檢偏并進行在軌偏振定標，偏振測量精度可達0.2%，是偏振測量精度最高的星載遙感儀器。APS曾作為NPOESS的備選載荷，后裝載于Glory衛星，由于運載火箭的原因發射失敗。下表給出APS的主要技術指標。

MSPI是美國下一代激光雷達衛星ACE上的主載荷之一，是MISR的升級載荷，由多個相機組成，具有更寬的光譜范圍、偏振測量和更寬的視場。MSPI協同采用了多種技術手段減少氣溶膠反演的不確定性。利用多角度手段完成氣溶膠粒子尺寸，形狀，對高亮區域(高反射率區域如沙漠、城市)的反演；利用多光譜手段反演粒子尺寸(可見至短波紅外)，吸收指數及標高(近紫外譜段)，其標稱譜段為：380、412、446、558、650、865、1375、1610、2130nm；利用偏振測量手段獲得粒子尺寸相關折射率和粒子尺寸分布寬度，其標稱譜段為650nm和1610nm。提高偏振測量精度對于提高氣溶膠探測精度有積極意義，MSPI計劃把偏振測量精度從POLDER的2%提高到與APS同量級的0.5%，這對于寬視場成像儀是一個挑戰[23]。

表2　APS主要技術指標

2.2.3激光雷達手段氣溶膠探測

從1994年美國航天飛機載空間激光雷達(LITE)首次測量全球范圍氣溶膠和云的垂直分布，美國先后發射了多個星載激光雷達有效載荷開展大范圍氣溶膠和云的垂直分布測量工作，獲得了大量的數據。其中最有代表性的為美國2003年發射的GLAS星載激光雷達和2006年發射的CALIPSO星載大氣探測激光雷達。

GLAS激光雷達系統是為了NASA測量海冰而設計的主動傳感器，由10cm精度的表面激光測高儀和測量云和氣溶膠的雙波長后向散射激光雷達組成，在2003年1月發射升空，為532nm/1064nm雙波長非偏振探測激光雷達，由于該激光雷達激光器性能下降很快并逐漸失效，只是間斷性的工作。GLAS主要測量兩極地區的冰層，建立高精度的陸地數字高程，全球尺度的云和氣溶膠的垂直剖面。GLAS的軌道高度為590～630km，傾角為94度。

CALIPSO為雙波長偏振敏感的激光雷達，2006年4月發射升空，主要獲得全球氣溶膠和云高分辨的垂直剖面，觀測大氣氣溶膠、云的光學特性，了解它們在調節地球天氣、氣候和空氣質量中的作用。采用了全固態的Nd：YAG激光器，發射波長為1064nm及其倍頻的532nm，使用了三個接收器通道，其中一個測量1064nm激光后向散射強度，另兩個通道測量532nm激光后向散射信號的正交偏振分量。垂直偏振通道給出了卷云冰晶粒子、以及沙塵氣溶膠等退偏振比的信息。1064nm通道的探測信號也能較為清晰地區分云層和大氣氣溶膠層[24-25]。目前CALIPSO星載激光雷達在軌運行8年多，單臺激光器工作性能完全能夠滿足5年要求，同時證明了星載激光有效載荷能夠滿足空間長壽命工作要求，為業務化運作奠定了基礎。圖1為激光雷達各探測通道獲取不同地方的氣溶膠和云垂直分布信息。圖2為2014年4月12日CALIPSO激光雷達獲得的經過北京及華北地區的氣溶膠垂直分布，此時北京正值霧霾天，氣溶膠信號明顯增強。

圖1　CALIPSO激光雷達測量不同波長衰減后向散射信號

圖2　CALIPSO激光雷達獲得的經過中國華北上空的氣溶膠垂直分布

CATS空間激光雷達是美國NASA在2012年提出計劃安裝在國際空間站ISS上的多波長散射型氣溶膠和云測量激光雷達，在532nm波段具有HRSL(高光譜分辨激光雷達)測量能力。CATS的主要目標是在CALIPSO激光雷達失效后，能夠繼續CALIPSO星載激光雷達的氣溶膠和云剖面測量數據，填補EarthCARE發射前的空擋。而且ISS近實時數據能力使得CATS能夠應用于空氣質量以及特殊大氣環境變化事件(沙塵暴、火山爆發等)的監測[26]。HRSL通道能夠進行技術驗證，同時直接獲得氣溶膠消光系數。CATS激光雷達計劃裝兩臺激光器，激光器1工作兩波長532nm和1064nm，重復頻率5kHz，單脈沖能量2mJ；激光器2工作三波長355nm、532nm和1064nm，重復頻率4kHz，單脈沖能量2mJ，單頻工作。激光雷達質量500kg，功耗1000W，數傳2Mb/s。

3國內氣溶膠探測發展現狀

3.1國內大氣探測相關衛星發展情況

在目前國內民用航天領域中，已發射的對地遙感衛星系列包括風云衛星、資源衛星、海洋衛星及環境減災小衛星星座等。攜帶多光譜成像儀的對地遙感衛星系列包括資源衛星，風云衛星、海洋衛星、環境一號及高分專項中在研的高分五號衛星等。目前在軌運行的民用衛星使我國具備了一定的大氣環境監測能力，為我國的環境保護工作提供了一定的支撐。但由于缺乏多角度、偏振、主動激光等探測手段，高精度定量化大氣環境監測能力有限。

3.2國內氣溶膠遙感探測發展現狀

國內對星載氣溶膠探測有一定的研究基礎。氣溶膠被動探測主要采用多光譜手段、偏振+多角度探測手段，主動方式可采用激光雷達。

3.2.1多光譜手段氣溶膠遙感探測

我國已發展的環境一號、風云三號、風云四號、資源一號、海洋一號等衛星均具備多光譜觀測手段。其中，環境一號為典型的多光譜環境遙感衛星，專門用于我國環境和災害監測，由兩顆光學衛星(包括HJ-1A、HJ-1B)及一顆雷達衛星(HJ-1C)組成，環境一號衛星主要針對陸表環境、水環境和生態環境監測，大氣環境污染的監測能力有限[27-28]。風云三號氣象衛星搭載11類載荷，通過多種方式觀測紫外至微波波段的地氣系統出射輻射，采用中分辨率光譜成像儀MERSI可見光—短波紅外波段觀測實現海、陸氣溶膠光學厚度和粒子尺度觀測；TOU獲取紫外吸收性氣溶膠指數參數來提供氣溶膠分類信息；采用MERSI和VIRR可見光—熱紅外波段觀測獲取沙塵氣溶膠定量信息。風云四號是我國新一代靜止氣象衛星，其搭載的多通道的掃描輻射計涵蓋了從可見光到紅外的14個波段，可見光由原來的單波段增加到2個通道，補充了短波紅外通道，具備了氣溶膠探測能力，其高時間分辨率的特點有效的彌補了極軌星時間分辨率較低的弱點，為氣溶膠特性的日變化研究提供了有力的支撐[29]。

3.2.2偏振+多角度手段氣溶膠遙感探測

在研高分五號衛星是我國第一顆高光譜綜合觀測衛星，其探測譜段涵蓋了從紫外到長波紅外的光學波段，具有高光譜分辨率、高精度、高靈敏度的觀測能力，其偏振+多角度手段可對大氣氣溶膠和云進行探測，衛星搭載其它載荷可以監測污染氣體(NO2、SO2、O3)、溫室氣體等，能夠實現對大氣環境及污染物的綜合探測。

3.2.3激光雷達手段氣溶膠探測

激光雷達從探測原理上主要分為測高測距、后向散射、差分吸收、多普勒測風等幾種。對于大氣環境監測常用到的云和氣溶膠探測激光雷達采用后向散射體制，地基激光雷達已日趨成熟，但目前星載應用還處于預研階段。我國在地基、機載激光雷達和氣溶膠激光雷達數據反演方面已經開展了大量研究，目前，中科院上海光機所、安徽光機所、中電27所、航天科技集團九院七〇四所、北京理工大學、青島海洋大學、哈爾濱工業大學等科研院所均開展了地面激光雷達的研究和研制工作。中科院上海光機所針對空間激光載荷及其應用，在“十一五”期間開展了氣溶膠、云和大氣風場測量激光雷達數據反演方法研究、以及長壽命大功率空間激光器研究[30-37]。

4結論與展望

基于以上對國內外大氣環境監測相關衛星和技術手段現狀的分析，總結出大氣環境監測衛星的發展趨勢如下。

(1)衛星遙感技術在大氣環境監測中的地位日益提升。由于衛星遙感手段具有監測范圍大、高時效性等優點，歐美等國在衛星大氣環境監測領域投入和發射衛星數量均逐漸增加。

(2)激光主動探測在大氣環境定量監測中的作用更加突出。傳統被動光學遙感具有覆蓋范圍大、時間分辨率高等優點，但不能提供大氣垂直廓線信息，且探測精度有限。而激光主動探測則能彌補其缺點，直接獲取廓線信息，探測精度也有較大提升。從歐美等國大氣環境監測衛星的發展歷程和未來規劃來看，激光遙感衛星也越來越多。

(3)主被動結合、多手段綜合是大氣環境監測衛星的發展方向。從國際上大氣環境衛星遙感技術的發展歷程也可以看出，從早期的多光譜技術，發展到多角度觀測技術，再到偏振探測技術和主動激光探測技術，探測精度不斷提高。目前，采用主被動結合，多光譜、多角度、偏振、激光等多手段綜合探測氣溶膠是國際上主流發展方向。

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作者簡介：劉思含，高級工程師，博士，研究方向為環境遙感監測與應用

通訊作者：吳艷婷，工程師，碩士，研究方向為環境遙感監測與應用

中圖分類號：X51

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)04-0131-05

Advances in the Application of Active and Passive RemoteSensingMonitoringofAtmosphericAerosol

LIU SihanZHOU ChunyanMAO XuejunGAO YanhuaWU YantingYANYipengZHAOShaohuaYAOYanjuan

(Satellite Environment Center，Ministry of Environmental Protection/State EnvironmentalProtectionKeyLabofSatelliteRemoteSensing，Beijing100094，China)

Abstract：Atmospheric aerosols affect the earth's climate and environment significantly.In particular，the increasingly serious particulate pollution has posed a huge threat to public health and ecological safety. Facing the present situation of heavy air pollution in our country，atmospheric pollution control is in urgent need of large scale，high frequency，high accuracy，high accuracy and quantitative analysis of aerosol and its optical properties. At present，remote sensing monitoring of aerosol has passive method making use of multi band，multi angle and polarization detection，also has active detecting method of combining high spectrum and polarization of laser radar. On the basis of analyzing the domestic and foreign atmospheric laser radar，the research progress of aerosol remote sensing monitoring based on the active and passive remote sensing detection is analyzed. Results shows that the role of laser active detection in the atmospheric environment monitoring is more and more prominent，combing application of active and passive detection method will be the development direction of atmospheric environmental monitoring.

Keywords：aerosol；atmospheric remote sensing monitoring；laser radar

項目資助：國家自然科學基金面上項目(41271349)

引用文獻格式：劉思含等.大氣氣溶膠主被動遙感探測應用技術進展[J].環境與可持續發展，2016，41(4)：131-135.