星載大氣探測激光雷達技術與應用

王玉詔，鄭永超

（1.北京空間機電研究所，北京 100094；2.北京空間技術研究院 激光信息感知核心專業實驗室，北京 100094；3.北京市航空智能遙感裝備工程技術研究中心，北京 100094）

0 引言

人類生活在被大氣包裹著的地球上，大氣的密度、分布、運動、組分構成、狀態變化等對人類的生存、生產活動有重要的影響。近年來，全球干旱、洪澇、高溫、極寒等極端氣候現象日益增多，對人類生存環境及經濟活動構成了嚴重威脅［1-5］。這些極端天候現象的形成機制、演化過程及發展預測是目前亟待解決的科學問題。全球云、氣溶膠和大氣中分子多維度、大視域、高分辨的系統性變化規律的連續觀測和反演，是提高對極端天候現象認識，并提出相關問題解決路徑所依賴數據的重要來源［6-10］。

國內外已經發展了多種星載遙感設備用于云、氣溶膠和大氣分子的全球觀測［11-12］。其中，以星載高光譜相機為代表的被動光學遙感器和極化云雷達為代表的無線電雷達主動探測設備，是目前在用的主要觀測手段。被動光學遙感器具有大幅寬、高效率、多參數等優勢，但這類遙感器受光源、觀測幾何、背景干擾、光譜分辨等影響，存在夜間觀測能力不足、垂直分辨率較低、反演精度難以提高等問題。主動雷達設備具有全天候觀測和高垂直分辨的優勢，但其由于波長的原因難以用于氣溶膠和分子垂直廓線測量。盡管這些手段隨著技術進步在不斷完善，但因其機理的限制，還難以滿足大氣觀測對全球視域、廓線精細結構、立體三維、高精度定量遙感等要求［13］。

激光雷達是近年來迅速發展的大氣主動遙感技術［13-14］。激光是主動光源，可以實現全天時大氣觀測；激光的波長和功率使其具有合適的大氣介質穿透性，可以實現徑向廓線觀測；基于定量的激光發射和接收測量，可以獲得更為精確的觀測數據；基于衛星平臺全球推掃，可以實現對全球大氣要素的立體三維觀測。這些特點和優勢使激光雷達成為當前國內外發展的重要星載設備。

1 星載大氣激光雷達原理與探測機制

激光是人造光源，具有相干性好、亮度高、單色性好等特點。通過對光源光譜、偏振、輻射等參數的控制，配合相應探測機制，使其能夠長距離穿過大氣，并與傳輸路徑上的大氣相互作用而獲得定量的相關參數，這是激光雷達大氣探測的獨特優勢［15-17］。采用脈沖激光可以根據回波到達時刻得到不同距離的大氣后向散射信號，從而得到大氣參數廓線。

激光與大氣相互作用可分為米散射、瑞利散射、振動拉曼散射、轉動拉曼散射、熒光散射、吸收效應、多普勒效應、退偏振效應等。這些相互作用機制可以應用于大氣的云、氣溶膠、分子密度、溫度、氣壓、風速等參數的觀測。如圖1 所示，激光雷達由激光發射、接收望遠鏡、中繼光學、光電探測、控制與處理等系統組成。

圖1 激光雷達系統組成圖Fig.1 Diagram of lidar system

激光發射系統發射激光脈沖，接收望遠鏡系統收集目標回波光子，中繼光學系統分離有效光譜、抑制干擾光譜，光電探測系統將回波光信號轉換成電信號，控制與處理系統負責工作時序、狀態管控、數據處理和存儲。同時，其他位姿測量及輔助數據等與探測數據打包通過數傳通道下傳給地面接收站，最終由用戶或專業人員反演得到各目標參數信息。

基于激光與大氣的多種作用機制而研制的大氣探測激光雷達設備見表1［15-21］。除了高精度廓線、高分辨三維、多參數探測等特點外，星載大氣探測激光雷達還可以實現全球覆蓋，因此，在大氣遙感領域發揮不可或缺的重要作用。

2 星載大氣探測激光雷達技術發展

1994 年搭載于美國航天飛機的激光雷達LITE（Lidar In-Space Technology Experiment）完成了在軌試驗，證明了星載激光雷達對云、氣溶膠觀測的可行性［22］。之后，世界各國先后發射了十幾臺1 套星載大氣探測激光雷達系統（見表2），提出并實施了多個載荷研制和發展計劃［23-28］。

表1 激光與大氣相互作用及其應用Tab.1 Interaction between laser and atmosphere and its applications

表2 大氣環境探測領域國內外星載激光遙感項目Tab.2 Domestic and overseas space-borne laser remote sensing projects in the field of atmospheric detection

國內外在軌或在研的星載大氣探測激光雷達科學目標、載荷參數、試驗情況等在文獻［23-28］中多有詳細介紹，本文不再贅述。本文將從云、氣溶膠、大氣成分3 類目標的觀測需求、技術途徑、載荷特點和可行性條件分別進行討論。

2.1 云觀測激光雷達

云的觀測要素主要為云水平分布、云頂高、云底高、云相態、云粒子尺度等與輻射和降水相關的指標。

星載激光雷達可在衛星飛行過程中通過推掃方式獲得云的水平分布參數。通過光束傳輸路徑距離高分辨切片處理，得到大氣回波的垂直分布廓線，從中分析出云頂高度，在光學厚度不高的條件下可以獲得云底高度［29-30］。云高只與激光飛行時間有關，且云散射強度僅次于地表反射，所以幾乎所有的星載對地觀測激光雷達都可以用作云高探測，如用于地表高程探測的激光測高儀（地球科學激光測高儀系統GLAS（the Geoscience Laser Altimeter System）［31-32］、先進地表激光測高系統ATLAS（Advanced Topographic Laser Altimeter System）［33］等。但并不是所有的激光測高儀都配備了云高探測功能，如NASA（National Aeronautics and Space Administration）的全球生態系統動力學研究激光雷達GEDI（Global Ecosystem Dynamics Investigation）［34］，我國的資源衛星激光測高儀［35］、陸地生態碳監測衛星多波束植被測量激光雷達CM-1（Terrestrial Ecosystem Carbon Monitoring Satellite）等［36］，這是很遺憾的。

云相態觀測主要是為區分水云粒子和冰云粒子，通過激光偏振探測可實現云相態的識別［15-17］，如水云退偏比約為0，卷云退偏比可達0.5［37］。這需要對發射激光進行偏振控制，對接收光進行退偏振測量，同時對接收光學系統的保偏、檢偏特性也提出了較高的要求，增加了系統的設計、研制和定標負擔。在NASA 的正交偏振云-氣溶膠激光雷達CALIOP（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization）之前的星載大氣探測激光雷達都沒有配置該功能，從CALIOP 開始，新研制的大氣探測激光雷達都開始配置這個功能［38-40］。

理論上，通過激光多波長探測可獲得云粒子尺度信息［41］。在激光波長與粒子尺度相當的條件下，不同的粒子尺度對波長的響應不同，通過相應的散射和消光模型，可由多波長回波信號反演粒子的尺度、形狀等信息。云粒子平均尺度一般遠大于激光波長，因而多波長激光后向散射差異較小，CALIOP利用這種特性對1 064 nm 和532 nm 雙通道相對常數進行定標［42］。也有學者根據多波長透過率的不同對卷云的形狀和尺度開展了相應的研究［43］。多波長激光雷達對云粒子尺度反演的應用可行性和適用性還有待進一步研究，在氣溶膠粒子尺度探測方面則比較明確［16-17］。

2015 年以NASA“云氣溶膠傳輸系統”CATS（Cloud-Aerosol Transport System）為代表高重頻微脈沖激光雷達發射，并在軌裝載于國際空間站［44-45］。高重頻微脈沖激光雷達具有小型化、高效率、低損傷、適裝性強等特點，可星座組網探測。但這種體制需要光子級靈敏度的探測器，以及較高的背景抑制比，同時在系統設計和研制中帶來波長優選、波長穩定性、線寬控制、窄帶濾波、高動態范圍探測及校正等一系列問題，為設備研制增加了一定的難度。

2.2 氣溶膠觀測激光雷達

氣溶膠的觀測分為宏觀和微觀兩個方面：宏觀方面主要觀測水平分布、垂直分布；微觀方面考察其種類（如水溶性粒子、沙塵性粒子、海洋性粒子、煤煙、火山灰等）、粒徑、粒徑分布、濃度等［46］。

星載激光雷達可獲得氣溶膠垂直分布廓線，通過衛星推掃獲得其水平分布，這與云的宏觀測量相似。由于后向散射信號較弱，氣溶膠測量需要多次脈沖累積、高激光功率、大口徑接收、高探測靈敏度。氣溶膠探測通道可進行云探測，云探測通道不一定能用于氣溶膠探測。

在微觀探測方面，氣溶膠種類、粒徑、粒徑分布、濃度等都是影響其對輻射、降水等作用的重要因素［6，46］。退偏振探測可有效區分氣溶膠某些種類，如一般沙塵粒子退偏比約為0.3～0.4，人為氣溶膠退偏比小于3%［37］等。單波長后向散射激光雷達可以通過反演［47-48］獲得一定精度（20%～50%）［37］的消光系數廓線和光學厚度。用多波長激光雷達可以估算粒子的粒徑，進一步修正相關誤差。因此，國外發展了采用多波長、偏振技術的CALIOP、CATS 等激光雷達以滿足氣候、氣象、環保方面的觀測需求。

多波長偏振的后向散射激光雷達在反演時需要事先假設氣溶膠的激光雷達比、標定點消光或散射參數，這引入了較大的誤差（約20%～50%，極端情況達到100%［37］）。這些誤差給氣候預測帶來了極大的不確定性。為解決反演誤差問題，發展了高光譜分辨激光雷達（High Spectra Resolution Lidar，HSRL）技術，該技術可以直接測量激光雷達比，提高對氣溶膠微物理特性的觀測精度［16-17］。

HSRL 技術理論并不復雜，但是單頻脈沖激光器、高光譜分辨光學系統及其波長的匹配控制，是制約該類星載激光雷達發展的難點［16-17，49］。雖然國內外都開展了大量地基試驗研究，但是星載方面直到2015 年才在CATS 上進行了初步驗 證［44］，但是該功能很快失效。2018 年上天的ALADIN（Atmospheric LAser Doppler INstrument）在進行風場測量的同時也進行了該技術驗證［50-51］。

在大氣探測激光雷達的仿真和數據處理中，一般后向散射系數用β表示，消光系數用α表示，退偏振因子用δ表示［52］。迄今為止用作氣溶膠觀測的星載激光雷達也可以按上述符號分類，見表3。

表3 氣溶膠探測能力對比Tab.3 Comparison of aerosol detection capabilities

在2015 年之后，星載HSRL 已逐漸進入實用階段。理論和實踐已經證明，要全面、準確地獲得氣溶膠的微物理信息，至少需要3β+2α+1δ的配置［52］。這對現有的技術帶來極大的挑戰，目前公開報道項目中，NASA 的ACE（Aerosol，Cloud，and ocean Ecosystem）具備3β+2α+2δ的能力［53-54］。

2.3 大氣成分觀測激光雷達

星載大氣成分觀測激光雷達的觀測需求是氣體分子密度的水平和垂直分布。

氣體分子密度的測量一般通過差分吸收實現［15-17］。針對目標分子，需要選擇一個處于分子吸收線內的工作波長λon以及一個吸收極小甚至不吸收的波長λoff，這兩個波長相差不能太大，以避免因為波長差引起的誤差超過觀測誤差。不考慮波長差的情況下，高度z以上的分子數柱密度反演公式可以表示為

式中：M（z）為高度z上空的大氣柱濃度；Δσ為高度z上空的等效吸收截面；C為系統定標常數；P為回波信號。

根據數密度反演公式可以推導出相對誤差公式為

式中：δR（z）為數密度反演的相對誤差；K=MΔσ為工作波長λon與參考波長λoff在高度z上空的吸收光學厚度差；RSN（z）off為參考波長在高度z處回波的信噪比。

在進行差分吸收測量時對工作波長的大氣吸收特性、探測信噪比都有一定的要求。以CO2為例，設其含量為400×10-6［55］，則對（1～4）×10-6的測量誤差提出的信噪比RSN和單程相對吸收透過率T需求如圖2 所示。

圖2 不同CO2探測精度時單程相對吸收透過率和信噪比需求關系Fig.2 Relationships between the one-way relative absorption transmittance and the signal-to-noise ratio requirement under different CO2 detection accuracy

相對吸收透過率過高或過低都不利于分子濃度探測，需要選擇合適的工作波長。除滿足上述要求外，所選波長也需要排除其他分子的光譜干擾。當前較成熟的激光器可選波長有限，因此需要OPO（Optical Parametric Oscillator）等手段實現激光波長輸出；為了保證吸收截面的穩定性，對激光發射波長穩定性、線寬等都要提出極高的控制要求；對于天頂角不為0°的激光雷達，還需要考慮到衛星相對大氣飛行時速度分量引起的多普勒頻移補償。

探測信噪比與激光發射能量、接收口徑、散射強度、探測靈敏度、背景光抑制能力等密切相關。激光發射能量的提高會提高激光器的研制難度和復雜度，降低可靠性。差分吸收激光雷達的工作波長往往處于紅外波段，該波段大氣分子的后向散射能力較差，主要依靠氣溶膠、云和地表散射。只有地表的回波可以使系統長期保持較高的探測信噪比和探測精度，因而該類星載激光雷達普遍采用以地表回波探測為主的積分路徑差分吸收IPDA（Integrated Path Differential Absorption）體制［56］。該體制以獲得大氣整層的柱濃度為主，在氣溶膠或云的散射較強的條件下也可以實現廓線探測。

典型星載大氣分子探測激光雷達采用雙脈沖體制［16-17］，其原理如圖3（a）所示。在微秒量級的時間間隔內激光器分別發射λon和λoff脈沖。因為時間極短，可以近似認為兩個脈沖由同一地表區域反射，在接收端分別獲得兩個脈沖的回波信號，進而反演柱濃度。這種方式在實際測量中不但受到激光發射波長穩定性的影響，還受到大氣溫度廓線、氣壓廓線、風速等的影響。這些影響制約了該類激光雷達的測量能力和研制進度，目前歐空局采用該體制測量CO2的A-SCOPE（Advanced Space Carbon and Climate Observation of Planet Earth）項目處于停滯狀態［57-59］，CNES（National Centre for Space Studies）采用該體制測量CH4的MERLIN（Methane Remote Sensing Lidar Mission）項目計劃于2024 年發射［59-60］。NASA 在ASCENDS（Active Sensing of CO2Emissions during Nights，Days，and Seasons）中提出波長掃描體制［61-62］，如圖3（b）所示。

圖3 雙脈沖體制和多波長掃描體制示意圖（以CO2吸收波長1 572.336 5 nm 為例）Fig.3 Schematic diagram of dual-pulse system and multi-wavelength scanning system（taking CO2 absorption wavelength 1 572.336 5 nm as an example）

這種體制的激光雷達在工作時發射的不是一個波長，而是分時發射一組波長，這組波長從吸收光譜的一側掃描至另一側，在接收端得到整層大氣的吸收光譜離散采樣結果。通過擬合手段由離散結果可以得到完整的吸收光譜。該方法對波長穩定性、溫度、氣壓等影響有較好的適應性。ASCENDS 還配置了O2探測通道，用于校正測量點的氣壓數據，從而提高反演精度。該系統目前還未進入到工程研制階段［60］。該技術要求短時間內完成波長掃描，同時信噪比也要滿足一定要求，因此，在激光發射端和高靈敏探測接收端都提出了新的要求、挑戰，目前這些問題已得到解決，并持續進行了機載試驗驗證。

2.4 我國星載大氣探測激光雷達

我國近年來加快了星載大氣探測激光雷達研制步伐，安排了多個預研和型號項目。但主要還處于跟跑階段。

型號方面，我國分別安排了陸地生態系統碳監測衛星多波束激光雷達CM-1 和大氣環境參數激光雷達ACDL（Aerosol and Carbon dioxide Detection Lidar）［36］。CM-1 通過激光雷達測量全球植被高度、云和氣溶膠，為氣候研究和林業應用提供全球植被碳儲量及云、氣溶膠三維分布信息。該激光雷達共有6 個波束，其中5 個波束用于植被高度探測，另一個波束用于云和氣溶膠探測。CM-1 中云和氣溶膠的探測體制、參數和指標主要借鑒CALIOP，實現2β（α）+1δ探測能力。大氣環境參數激光雷達ACDL 用于測量全球CO2柱濃度、云和氣溶膠三維分布信息。該激光雷達采用1.57 μm、1 064 nm、532 nm 3 個波長，在1.57 μm 波長上采用雙脈沖IPDA 體制測量CO2柱密度，在532 nm 波長使用了HSRL 技術并實現偏振探測，同時1 064 nm 波段實現氣溶膠測量，最終形成3β+2α+1δ探測能力。這兩臺激光雷達載荷計劃于2020—2025 年間實現在軌運行。

以CATS 為藍本開展了星載小型化激光云高儀研究，該激光雷達通過高重頻、微脈沖體制實現云、氣溶膠全球三維觀測，具體參數指標和實現路徑尚在研究當中［63］。此外，我國近年來也開展了頻率梳技術［64］、光絲技術［65］等新體制的研究和論證工作。

3 空間大氣探測激光雷達發展趨勢

星載大氣探測激光雷達的發展，是科學需求、探測理論、硬件技術、應用能力波浪式推動和迭代的過程。科學需求牽引了激光雷達探測理論的發展，激光器、探測器等硬件技術的發展，基于觀測數據支撐下應用和理論水平提升，促進了需求的進一步發展。4 種要素中每一種的突破都推動著星載大氣探測激光雷達的進步，進步的不斷累積催生了星載大氣探測激光雷達系統的新突破。體現在時間軸上，其發展的弱周期性見表2 和表3。

20 世紀90 年代至2006 年，多波長偏振后向散射激光雷達迅速發展，該發展期持續了10 a 以上，但在HSRL 和IPDA 所需的單頻脈沖激光及高光譜分辨技術上遇到阻礙，直至2015 年HSRL 才開始在軌驗證。2018 年ALADIN 的入軌運行標志著星載HSRL 正式進入應用階段，也預示新一輪發展周期的開始。在這輪發展周期中，不但有配置了HSRL技術的ATLID、ACE 等激光雷達，也有以CO2、CH4等為目標的激光雷達出現。CALIOP 發射后10 a 的技術累積，推進了星載大氣探測激光雷達進入新的發展階段。在云和氣溶膠探測方面，CATS、ALADIN以及近年計劃發射的ATLID、ACE 都配置了HSRL，ACE 的目標是具備3β+2α+2δ的氣溶膠觀測能力。HSRL 是今后一段時期星載云、氣溶膠激光雷達重要發展方向。

云氣溶膠探測激光雷達的另一個發展方向是以CATS 為代表的小型高重頻微脈沖激光雷達，其低成本、低資源占用、高可靠、易量產的優勢使其成為未來全球云、氣溶膠星座化觀測的優選設備。星座探測可以提供更多的觀測數據，推動多源數據融合反演技術發展，優化提升反演精度和應用價值。

星載大氣成分濃度觀測激光雷達主要以IPDA體制為主，在云、氣溶膠富集的部分區域可以實現廓線觀測。由于技術和資源的綜合制約，近期星載激光雷達實現多種溫室氣體、污染氣體探測還有難度，雙脈沖體制和多脈沖波長掃描激光雷達都未進行在軌驗證。目前較為明確的是CO2和CH4觀測激光雷達將在2025 年之前在軌探測。

總的來說，云、氣溶膠的星載激光雷達未來有兩大趨勢：1）具有3β+2α+2δ功能的高精度高成本綜合性科學觀測載荷；2）具備2β（α）+1δ、3β（α）+1δ或3β（α）+2δ功能的適用于星座建設的小型高重頻微脈沖低成本載荷。大氣成分探測的星載激光觀測近期會以雙脈沖IPDA 和多脈沖波長掃描IPDA 體制并行為主。

雙端激光雷達形式的激光掩星大氣廓線的探測是近年來新的熱點，這種體制的積分路徑比垂直方式增加了兩個數量級，在痕量氣體觀測方面極具優勢。歐洲科學家已開展了十幾年的研究［66-67］，我國也開展了該類探測方式的研究并取得了階段性成果［68］。

頻率梳技術、光絲技術等新技術、新理論、新體制的出現也為未來的星載大氣探測激光雷達發展提供了更多的可選途徑，拓展了探測能力和應用范圍。

4 啟示與建議

從國內外星載激光大氣探測雷達的發展，得到啟示和建議如下：

1）激光雷達在全球大氣探測中展示了高時空分辨、高精度探測、多參數測量、連續廓線數據等獨特的優勢，已成為大氣觀測的重要的、不可替代的手段。

2）大氣探測激光雷達基于主要科學和工程目標而研制，探測體制和技術呈多樣性發展，各有所長，沒有那種體制占明顯優勢，方案選取依需而定。

3）星載大氣探測激光雷達發展呈弱周期性規律，這是由于理論研究、科學需求、器件和技術發展、載荷能力在軌驗證、工程應用、技術提升與優化等多環節輪動所致。

4）我國應加強技術基礎和應用能力建設，加大關鍵技術、核心器件的研發投入和支持力度，強化科學目標牽引、載荷技術支持、衛星配套服務的論證和研制體系，以應對更新、更高的觀測需求。

5）激光雷達是跨領域多學科交叉的應用系統，科學目標與工程實現之間要相互協調、互為支撐，在頂層設計統籌下有計劃分階段的設立并實現目標。

6）激光雷達是對其他遙感系統的有效補充，更加注重廓線探測、空間分辨和測量精度，在水平覆蓋、探測效率等方面存在天然不足，激光雷達與其他遙感手段結合，才能構建更加科學的觀測體系，為科學研究和遙感應用提供更有力的支撐保障。