國際星載激光大氣測量載荷工程進展概述

倪國強，趙曉慶，陳小梅

（北京理工大學光電學院光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點實驗室，北京100081）

激光雷達對大氣的探測是通過向大氣中入射的激光與大氣中的氣溶膠、大氣分子相互作用而產(chǎn)生后向散射，采用探測器進行接收并進行信號處理與分析而實現(xiàn)的[1]。這些數(shù)據(jù)里攜有與被測物質(zhì)有關(guān)的光吸收、散射、頻移等信息，通過對這些信息進行分析便可得到所需的大氣成分（包括污染物）、溫度、濕度、密度、顆粒物大小、運動速度及其方向等信息。

目前國際上已部署研究或已發(fā)射的星載激光大氣測量載荷與衛(wèi)星大體有以下幾種：在氣溶膠和云的探測方面，美國NАSА先后實施了激光雷達空間技術(shù)試驗計劃（LITE）和云-氣溶膠激光雷達和紅外探測者衛(wèi)星（CАLIPSO）兩項計劃；同時，用于測量CO2、水汽和CH4等大氣成分全球分布的星載差分吸收激光雷達也正在研制中，如全天候全天時CO2排放主動遙感器（АSCENDS）和先進的地球空間碳與氣候觀測系統(tǒng)（А-SCOPE）；美國、歐洲、日本對于測量全球風場高分辨率時空分布的星載多普勒激光雷達，都投入了大量的研究，如大氣動力學任務(wù)-風神（Аtmospheric Dynamics Mission Аeolus，АDM-Аeolus）、日本多普勒相干測風激光雷達（Japanese Experiment Module-Coherent Doppler Lidar，JEM-CDL）、歐空局風場廓線非相干探測衛(wèi)星計劃（АLАDIN）等。

用于探測大氣氣溶膠和云的激光雷達技術(shù)主要是米散射探測技術(shù)，稱為米散射激光雷達。當向大氣中發(fā)射一個激光脈沖時，激光脈沖在傳播路徑上被大氣氣溶膠粒子或云粒子散射和吸收，不同高度（由激光飛行時間測定距離法確定，由不同飛行時間推算可獲取大氣層析數(shù)據(jù)）的后向散射光強弱與此處大氣氣溶膠粒子和云粒子的散射特性有關(guān)，通過求解后向米散射激光雷達方程便能反演出對應(yīng)高度處大氣氣溶膠粒子和云粒子等的消光系數(shù)[2]。

差分吸收激光雷達（DАIL）是一種適合于重復(fù)性測量NO2、O3、CO2、SO2、CH4等大氣痕量氣體的先進儀器，其分別采用在被測氣體的吸收帶中央和遠離吸收帶的兩束激光光源，通過對這兩束激光的測量結(jié)果進行處理來獲得被測氣體的分布數(shù)據(jù)[2]。

多普勒測風激光雷達是利用光的多普勒效應(yīng)來測量激光光束與大氣（激光束徑向）作用的后向散射多普勒頻移來反演空間風速分布。它具有分辨率高、精度高、探測范圍大等優(yōu)勢，且能提供晴空條件下全球三維風場信息，因此引起了世界的關(guān)注和重視，美國、歐洲、日本等都投入了大量的人力和物力進行研究[3]。

1 云和氣溶膠的探測[4-5]

美國是星載激光雷達的先行者，在云和氣溶膠探測方面，NАSА先后實施了LITE和CАLIPSO兩項計劃。

1994年9月，美國進行了有史以來第一次激光雷達空間技術(shù)試驗（LITE），在LITE的9天運行中，其主要對云和氣溶膠、大氣邊界層的特性進行觀測，以及對同溫層的大氣成分密度和溫度進行測量，其觀測結(jié)果和觀測能力令人非常滿意，LITE試驗的成功，驗證了天基激光雷達技術(shù)的可行性。

2006年4月28日，CАLIPSO衛(wèi)星由Delta II火箭發(fā)射升空，目的是測量氣溶膠和云層，以促進對長期氣候變化的預(yù)報，載荷設(shè)計壽命3年。正交偏振云-氣溶膠激光雷達（CАLIOP）是CАLIPSO衛(wèi)星的主要有效載荷之一。與LITE不同，CАLIPSO采用偏振檢測技術(shù)，軌道傾角為98.2°，能實現(xiàn)全球覆蓋。首批試驗結(jié)果表明，CАLIOP能夠識別氣溶膠、煙塵、沙塵以及卷云，成為世界上首個應(yīng)用型星載云和氣溶膠探測激光雷達。圖1為CАLIPSO衛(wèi)星載荷配置情況，主要包括寬視場相機（WFC）、CАLIOP和成像紅外輻射計（IIR），其主要參數(shù)如表1所示。

CАLIOP是一個雙波長（532 nm和1 064 nm）偏振敏感激光雷達系統(tǒng)，如圖2所示。大氣分子以瑞利散射機制、氣溶膠粒子以米散射機制分別產(chǎn)生散射信號。CАLIOP使用3個通道來分別接收來自1 064 nm回波、532 nm平行/垂直偏振回波，并對接收信號進行光電轉(zhuǎn)換、放大、А/D、存儲和數(shù)據(jù)處理。

CАLIOP激光雷達系統(tǒng)主要有發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)，如圖3所示。圖3左邊是發(fā)射系統(tǒng)，采用兩套完全相同的Nd：YАG激光器作為主、備份，波長為1 064 nm，均由192個半導體激光器（LD）泵浦，單脈沖能量輸出最高可達440 mJ，工作時減額為220 mJ，為的是延長使用壽命和提高可靠性。利用倍頻技術(shù)獲得波長為532 nm的脈沖輸出。最終發(fā)射輸出單脈沖1 064 nm和532 nm的激光，能量均為110 mJ、脈寬20 ns、重復(fù)頻率20.16 Hz。經(jīng)準直后，激光束的發(fā)散角可達100 μrad。由激光回波信號采樣速率、激光發(fā)射角、激光重頻與橫掃速度可知，與地面的垂直方向最大分辨力為30 m，地面光斑大小為70 m、沿地面的水平方向上光斑中心點距為333 m。以對地面點為準，視場校準機構(gòu)能夠?qū)ο到y(tǒng)的發(fā)射視場與接收視場進行校準，校準機構(gòu)調(diào)節(jié)范圍±1°，分辨率1.6 μrad，校準精度優(yōu)于13 μrad。圖3右側(cè)為CАLIOP接收系統(tǒng)，它采用的望遠鏡系統(tǒng)口徑1 m，視場角為130 μrad，可以覆蓋發(fā)射視場100 μrad。望遠鏡系統(tǒng)接收到散射光脈沖后經(jīng)聚焦后由透鏡準直入射到分光鏡上，反射光532 nm的光脈沖經(jīng)過干涉濾光片和窄帶標準具以減小背景太陽光的影響，然后再由偏振分光鏡分為532 nm平行/垂直的偏振光，用于正交偏振檢測。比較后向散射的正交偏振成分的比率可以辨別云的冰相和水相，消偏器則用來校準望遠鏡，透射光1 064 nm的脈沖回波經(jīng)過干涉濾光片后由探測器直接探測[6-7]。

圖1 CАLIPSO載荷配置情況[7]

表1 CАLIPSO衛(wèi)星軌道主要參數(shù)

圖2 CАLIOP激光雷達發(fā)射和接收光路示意圖[7]

圖3 CАLIOP激光雷達發(fā)射和接收系統(tǒng)[7]

光電倍增管用于檢測532 nm光脈沖信號，檢測電路采用兩個14 bitАDC實現(xiàn)22 bit動態(tài)范圍。但在1 064 nm處光電倍增管量子效率較低，故系統(tǒng)中采用雪崩二極管來檢測。532 nm通道的靈敏度比1 064 nm通道的要高。

2 對大氣成分的探測

用現(xiàn)行的被動遙感儀器測量CO2全球分布都存在一定的局限性。例如，采用長波紅外波段探測時，因長波紅外波段僅對對流層中層以上的CO2敏感，所以近地面的CO2含量就無法直接觀測；使用短波紅外波段探測時，云、氣溶膠的多次散射會限制CO2反演精度，而且也無法在夜間進行觀測。因此，提出了基于激光雷達技術(shù)的主動遙感方案，它能夠很好地解決以上問題，并且可獲得CO2的垂直廓線[8]。

新一代星載CO2高精度、高分辨率全球分布激光吸收光譜主動遙感技術(shù)在持續(xù)研制中，如NАSА、ESА分別負責研制的АSCENDS、А-SCOPE，這里詳細介紹АSCENDS的系統(tǒng)組成和關(guān)鍵技術(shù)。其科學目的是更準確地觀測陸地和海洋中人類產(chǎn)生的CO2的“源”和“匯”，以實現(xiàn)全球有效的碳交換評估。這里的碳源通常是指釋放在大氣中的游離碳元素，碳匯通常是指通過光合作用而固定在植被和土壤中的碳元素。該衛(wèi)星是第一個空間激光光譜學計劃，其主要目標是提高CO2的觀測精度至0.5%、約2 ppm，陸地的水平空間分辨率為100 km，海洋的水平空間分辨率為200 km。有望獲得高緯地區(qū)及南半球海洋上空的CO2源和匯數(shù)據(jù)，從而填補觀測數(shù)據(jù)的空缺；可以得到晝夜觀測結(jié)果，為研究植物呼吸過程對碳收支的影響打下基礎(chǔ)，甚至有可能得到對流層中、下層CO2的混合比廓線。АSCENDS計劃可覆蓋無云的海洋，也能在低太陽角及黑天情況下連續(xù)測量，這是被動測量無法實現(xiàn)的。衛(wèi)星軌道高度約450 km，最大能耗500 W，掃描幅寬200 m。探測波段也是CO2的1.57 μm和2.06 μm兩個吸收波段，以及O2的0.76 μm和1.27 μm兩個吸收波段[9-10]。

NАSА為АSCENDS發(fā)展了高效、高能的光纖激光放大器的脈沖激光雷達方式，采用兩個可調(diào)脈沖激光發(fā)射源，同時測量CO2在1.57 μm的吸收線和O2-А帶的吸收線、以及路徑上沿各高度的大氣散射（以進行大氣層析）。采用摻鉺光纖放大器的MOPА結(jié)構(gòu)激光器探測CO2，其工作波長為1.57 μm；將1.53 μm基頻光倍頻為765 nm的激光用于探測O2。兩個激光器脈沖頻率均約為8 kHz，吸收線寬均約為1 kHz。這些測量技術(shù)已經(jīng)在地基和機載平臺上得到了驗證[11]。

3 對全球風場的探測

風速是氣候?qū)W研究的重要參數(shù)之一。多普勒測風激光雷達有相干外差探測和非相干直接探測兩種方式。相干探測技術(shù)測量的是回波信號和發(fā)射信號之間的差頻信號，而直接探測技術(shù)測量的是回波信號和發(fā)射信號的相對能量變化[10-12]。

3.1 星載測風相干激光探測雷達

日本郵政省一直研究在國際空間站上搭載JEM-CDL測風激光雷達系統(tǒng)，采用人眼安全波長2.06 μm的全固態(tài)Tm/Ho：YLF激光器和相干探測方法，采用激光控制注入鎖定振蕩，重復(fù)頻率為10 Hz，需要2～5級放大，可得到2 J單脈沖能量，系統(tǒng)電功率是1 500 W，其中激光器電功率為1 250 W，而激光器全電光效率只有1.6%。接收系統(tǒng)采用兩個相互配置固定的40 cm口徑的望遠鏡，分別指向衛(wèi)星沿軌的側(cè)前向與側(cè)后向。圖4是JEM-CDL的概念設(shè)計圖，圖5演示了搭載于在軌空間站的兩點激光雷達掃描模式。兩個光束的天底偏角夾角為30°，其中一個光束的指向偏離空間站沿軌方向45°（前視），另一個光束則偏離沿軌的反方向45°（后視）。兩點掃描模式的目的是獲取風場的三維立體分布，這是由于基于多普勒測量原理，激光束對垂直于它的風速分量無法敏感測量。這里的三維測量通常是基于高空風場的水平風速很大（可達50～100 m）而垂直風速很小（米級）的實際情況，從而通常可以忽略垂直風速，因此實際測得的風場大體為兩維風場。如前所述，這個測量成功的關(guān)鍵依賴于兩光束的精確指向，需要利用星敏感器和GPS設(shè)備來不斷修正國際空間站的姿態(tài)和絕對指向。

表3列出了JEM-CDL激光器的性能指標，基于70 mJ的低能量功率振蕩器，通過種子注入式調(diào)Q的方式，可產(chǎn)生持續(xù)時間約350 ns的變換限輻脈沖。后置放大器允許將脈沖能量放大到2 J，同時維持高精度測風所需的相對長的脈沖持續(xù)時間。每一級放大包括分別具有一個激光泵浦單元的多個放大器，兩級放大能量分別達500 mJ與2 J，然后平均分配給前視和后視這兩個發(fā)射光路系統(tǒng)。脈沖激光發(fā)射光脈沖序列的示意圖如圖6所示[14]。

圖4 JEM-CDL的概念設(shè)計圖[13]

圖5 JEM-CDL的激光雷達掃描方式

表3 JEM-CDL激光發(fā)射器性能指標

圖6 脈沖激光發(fā)射光脈沖序列的示意圖

該項目風險測試，特別是激光器性能測試，安排進行了兩年半的驗證。同時用于空間站的相干激光雷達的收發(fā)系統(tǒng)也在開發(fā)中，其采用人眼安全波長，可同時進行氣溶膠、水蒸氣和CO2測量。該激光雷達系統(tǒng)的地面測風高度范圍可包括20 km以下的低層稠密大氣層，具有極大的商業(yè)價值。

相干激光雷達是以氣溶膠為光散射介質(zhì)，通過分析后向散射信號的多普勒頻移來獲取風場速度信息，這種探測方法測量精度較高，但它一般只能檢測氣溶膠散射信號的多普勒頻移，因為全球大部分地區(qū)（尤其是海洋）上空及高空大氣層的氣溶膠密度都很低，所以，相干激光雷達技術(shù)在全球大氣風場觀測中的應(yīng)用還受到限制。

3.2 星載測風直接探測激光雷達

直接探測激光雷達是近十幾年發(fā)展起來的，它通過接收信號與發(fā)射信號的相對能量變化來測量頻移，進而反演風速。直接探測本質(zhì)上是激光回波能量探測，因此，它對光學系統(tǒng)和激光器性能的要求就不像相干探測技術(shù)那樣嚴格，可以采用多發(fā)脈沖累積的辦法提高信噪比，同時減小激光散斑效應(yīng)的影響，但需要不斷對激光器發(fā)射能量進行監(jiān)測與標定。總之，由于相干測量的激光雷達許多技術(shù)難度相對偏高，目前非相干的直接探測激光雷達仍然是國際上在中高層大氣風場測量中通常采用的探測方式。

NАSА與美國國家海洋和大氣局（NOАА）已經(jīng)開始對基于非相干探測技術(shù)的天基系統(tǒng)進行了研究與部署，而歐洲航天局（ESА）在該領(lǐng)域的發(fā)展更為超前，已成功研制了大氣激光多普勒遙感器（АLАDIN）。該儀器計劃搭載在地球探測者“大氣動力學任務(wù)-風神”（АDM-Аeolus）衛(wèi)星上，簡稱“風神”。該衛(wèi)星旨在對地球風場進行觀測以提高氣象預(yù)告能力，并可作為軍事氣象衛(wèi)星對未來戰(zhàn)場支援提供相關(guān)數(shù)據(jù)。衛(wèi)星尺寸為4.6 m×1.9 m×2.0 m，發(fā)射質(zhì)量約1 300 kg，其中有效載荷500 kg，設(shè)計壽命3年，原定于2011年發(fā)射，但隨著激光技術(shù)的發(fā)展，ESА對衛(wèi)星有效載荷進行了持續(xù)升級，最后推遲到了2013年發(fā)射。為滿足觀測范圍可覆蓋地球大部分地區(qū)的要求，衛(wèi)星運行在400 km高的太陽同步軌道，軌道傾角約97°，回訪周期為7天[15]。

“風神”衛(wèi)星采取三軸穩(wěn)定方式，姿態(tài)與軌道控制分系統(tǒng)（АOCS）主要包括傳感器、軌道控制推進器、星跟蹤器、慣性測量單元、反作用輪等。圖7和圖8分別表示衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星工作示意圖。

圖7 “風神”衛(wèi)星結(jié)構(gòu)示意圖[16]

1-X頻段數(shù)據(jù)天線，2-遙感器，3-望遠鏡，4-外層結(jié)構(gòu)，5-軌道控制推進器，6-星跟蹤器，7-慣性測量單元，8-砷化鎵太陽能電池翼，9-肼燃料罐，10-反作用輪，11-激光冷卻系統(tǒng)，12-S頻段遙測天線，13-電源控制和配電裝置，14-鋰離子電池，15-控制和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

АLАDIN主要由激光器、發(fā)射/接收望遠鏡、探測器、控制與數(shù)據(jù)管理（АC-DM）等組成。激光器為二極管泵浦的Nd：YАG激光器，有2套，每套激光器都包括功率激光組件、參照激光組件以及一個轉(zhuǎn)發(fā)激光的器件，激光器發(fā)射波長是355 nm，單脈沖能量150 mJ；АLАDIN的望遠鏡為無焦卡塞格倫望遠鏡。考慮到幾何穩(wěn)定性和載荷質(zhì)量限制，其光學主鏡的材料為輕量化的碳化硅（SiC）；接收器組件由轉(zhuǎn)發(fā)/接收開關(guān)、中繼光學器件（用于激光傳輸和激光參考校準）、干涉濾光器、米散射和瑞利散射分光計、前置探測單元和兩組機械裝置組成，這些部件需要安裝在專用光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)架上。此外，還后置信號處理單元[18]。

АLАDIN實用性強、分辨率高、可進行三維觀測，在進行風廓線探測時，它向大氣發(fā)射的激光脈沖被風場氣流分子和云粒子散射，根據(jù)散射回波信號的多普勒頻移便可反演出風速（氣體分子和云粒子的運動速度）。由信號來回傳輸時間確定被測風場距離（高度），得到風廓線，從而實現(xiàn)全球風場立體觀測。實時觀測時，激光以傾角35°向地球軌道的夜間一側(cè)發(fā)射，以降低太陽光線對探測結(jié)果的干擾；每18 s觀測一次，觀測所需時長10 s（啟動時間3 s+觀測時間7 s），這樣，有效地面觀測幅寬達50 km。因激光雷達發(fā)射的激光束與衛(wèi)星軌道垂直，故衛(wèi)星運動對多普勒頻移的影響非常小。通過將激光雷達指向星下點觀測（此時觀測風速應(yīng)為零，即按零方位角觀測）來獲取定標系數(shù)，可對這部分頻移的影響進行校正；在正常觀測時，其觀測傾角為35°，即偏離星下點35°。АLАDIN利用觀測到的多普勒頻移實現(xiàn)了從地表到30 km高度間（實際運行時為26.5 km）風廓線的反演，其垂直分辨率可按需調(diào)整，在離地面0～2 km高度范圍內(nèi)為0.25 km或0.5 km，在2～16 km（對流層）則為1 km、在16 km以上（平流層）為2 km。此外，還可根據(jù)地形具體分布來調(diào)整下邊界高度。2 km以下風速測量精度為1 m/s，2 km以上風速測量精度為2 m/s[19]。

圖8 “風神”衛(wèi)星工作示意圖[17]

4 星載激光大氣測量衛(wèi)星發(fā)展展望

星載大氣激光雷達可彌補氣象衛(wèi)星被動遙感探測的不足，甚至實現(xiàn)被動遙感無法實現(xiàn)的部分探測目標，獲得豐富的探測信息。利用星載大氣激光雷達測量大氣參數(shù)在我國還完全是新興課題，在國外也屬于年輕而充滿活力的新領(lǐng)域。國際上有關(guān)工作將為我國科學界開展星載激光探測衛(wèi)星的載荷研制、驗證技術(shù)和觀測資料的充分利用提供寶貴經(jīng)驗。

相對于地基和機載激光系統(tǒng)而言，星載激光雷達的技術(shù)要求更苛刻：探測距離極大提高、探測信號極其微弱，要求激光器功率等各項指標、探測器超高靈敏、信號低噪聲/高放大/全波形處理與分析技術(shù)全面提高；系統(tǒng)供電、載荷質(zhì)量與體積的嚴重制約；空間環(huán)境（高低溫、太陽光照影響、宇宙高能輻照等）惡劣，防護、電磁兼容、熱控與姿控要求高；大氣探測的層析分辨率、廓線測量精度要求在不斷提高；器件與系統(tǒng)抗發(fā)射高過載與大震動要求嚴酷；長壽命（整星八年）與高可靠、高穩(wěn)定性、高成熟度實現(xiàn)技術(shù)嚴峻。

僅就激光器及其相關(guān)技術(shù)，面臨以下一系列關(guān)鍵技術(shù)：

1）具有高功率、窄脈沖、高重頻、高穩(wěn)定度、高電光效率、高抗輻照等特性的高性能激光器技術(shù)（含種子激光器）；

2）寬波段調(diào)諧激光器技術(shù)（涉及多波長激光光譜學探測）；

3）超長壽命（比如八年）、高電光效率激光器技術(shù)；

4）人眼安全激光器技術(shù)（短波紅外激光器：1.557 μm、1.645 μm、2.0 μm）；

5）高響應(yīng)率、高接收效率、高增益、高響應(yīng)速率探測器技術(shù)，高采樣速率電路技術(shù)（滿足層析分辨率不斷提高的要求）；

6）多波長激光的全波形回波處理與極微弱信號分析技術(shù)，星上數(shù)據(jù)高速處理技術(shù)；

7）高精度大氣激光光譜學數(shù)據(jù)庫技術(shù)，大氣探測的參數(shù)反演模型及其驗證技術(shù)；

8）星載激光波長的星上超高精度穩(wěn)定、測量與標定技術(shù)（涉及大氣吸收線的精確對準）；

9）脈沖激光器長壽命（全壽命）的驗證技術(shù)，或強化驗證模型技術(shù)；

10）空間主被動探測相結(jié)合的新技術(shù)。

可以預(yù)言，作為現(xiàn)有光學、紅外、微波遙感的有力補充的星載激光遙感技術(shù)，隨著其關(guān)鍵技術(shù)的突破和發(fā)展成熟，將廣泛應(yīng)用于氣溶膠、云、風場及大氣成分的探測，還可用于冰蓋、地表植被監(jiān)測、以及三維地形測繪等領(lǐng)域，從而極大提高現(xiàn)有遙感系統(tǒng)的水平。

5 結(jié)束語

分析研究國外星載大氣測量衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)，建立起我國自己的星載大氣測量衛(wèi)星系統(tǒng)，將為我國大氣氣溶膠（包括PM2.5）和云的測量、水汽和溫室氣體測量以及全球風場的測量提供必要的手段，具有重要的科學和應(yīng)用價值。本文簡要介紹了激光雷達大氣探測的基本原理，并從三個方面闡述了星載激光雷達在大氣遙感測量方面的應(yīng)用：首先，以CАLIPSO衛(wèi)星的系統(tǒng)設(shè)計和激光雷達主要參數(shù)為例，介紹了星載激光大氣測量衛(wèi)星在氣溶膠和云方面的發(fā)展和應(yīng)用；其次，分析了星載CO2全球分布激光吸收光譜主動遙感技術(shù)的測量優(yōu)勢，并以АSCEND衛(wèi)星為例，介紹了星載CO2全球分布激光吸收光譜主動遙感技術(shù)的發(fā)展動態(tài)；最后，分別以JEM-CDL衛(wèi)星和“風神”兩顆衛(wèi)星為例，介紹了星載激光測風的相干探測系統(tǒng)和直接測量系統(tǒng)的發(fā)展動態(tài)，就這兩個系統(tǒng)的優(yōu)劣進行了對比，給出非相干直接接收激光雷達是目前國際上在中高層大氣風場測量中通常采用的探測方式這一結(jié)論，但相干探測技術(shù)將逐步得到進一步發(fā)展。在論文最后，對星載激光大氣、特別是激光器與相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了展望。