王玉詔，鄭永超

（1.北京空間機(jī)電研究所，北京 100094；2.北京空間技術(shù)研究院 激光信息感知核心專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；3.北京市航空智能遙感裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100094）

0 引言

人類(lèi)生活在被大氣包裹著的地球上，大氣的密度、分布、運(yùn)動(dòng)、組分構(gòu)成、狀態(tài)變化等對(duì)人類(lèi)的生存、生產(chǎn)活動(dòng)有重要的影響。近年來(lái)，全球干旱、洪澇、高溫、極寒等極端氣候現(xiàn)象日益增多，對(duì)人類(lèi)生存環(huán)境及經(jīng)濟(jì)活動(dòng)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅［1-5］。這些極端天候現(xiàn)象的形成機(jī)制、演化過(guò)程及發(fā)展預(yù)測(cè)是目前亟待解決的科學(xué)問(wèn)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(tǒng)性變化規(guī)律的連續(xù)觀測(cè)和反演，是提高對(duì)極端天候現(xiàn)象認(rèn)識(shí)，并提出相關(guān)問(wèn)題解決路徑所依賴(lài)數(shù)據(jù)的重要來(lái)源［6-10］。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展了多種星載遙感設(shè)備用于云、氣溶膠和大氣分子的全球觀測(cè)［11-12］。其中，以星載高光譜相機(jī)為代表的被動(dòng)光學(xué)遙感器和極化云雷達(dá)為代表的無(wú)線電雷達(dá)主動(dòng)探測(cè)設(shè)備，是目前在用的主要觀測(cè)手段。被動(dòng)光學(xué)遙感器具有大幅寬、高效率、多參數(shù)等優(yōu)勢(shì)，但這類(lèi)遙感器受光源、觀測(cè)幾何、背景干擾、光譜分辨等影響，存在夜間觀測(cè)能力不足、垂直分辨率較低、反演精度難以提高等問(wèn)題。主動(dòng)雷達(dá)設(shè)備具有全天候觀測(cè)和高垂直分辨的優(yōu)勢(shì)，但其由于波長(zhǎng)的原因難以用于氣溶膠和分子垂直廓線測(cè)量。盡管這些手段隨著技術(shù)進(jìn)步在不斷完善，但因其機(jī)理的限制，還難以滿(mǎn)足大氣觀測(cè)對(duì)全球視域、廓線精細(xì)結(jié)構(gòu)、立體三維、高精度定量遙感等要求［13］。

激光雷達(dá)是近年來(lái)迅速發(fā)展的大氣主動(dòng)遙感技術(shù)［13-14］。激光是主動(dòng)光源，可以實(shí)現(xiàn)全天時(shí)大氣觀測(cè)；激光的波長(zhǎng)和功率使其具有合適的大氣介質(zhì)穿透性，可以實(shí)現(xiàn)徑向廓線觀測(cè)；基于定量的激光發(fā)射和接收測(cè)量，可以獲得更為精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)；基于衛(wèi)星平臺(tái)全球推掃，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全球大氣要素的立體三維觀測(cè)。這些特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)使激光雷達(dá)成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外發(fā)展的重要星載設(shè)備。

1 星載大氣激光雷達(dá)原理與探測(cè)機(jī)制

激光是人造光源，具有相干性好、亮度高、單色性好等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)光源光譜、偏振、輻射等參數(shù)的控制，配合相應(yīng)探測(cè)機(jī)制，使其能夠長(zhǎng)距離穿過(guò)大氣，并與傳輸路徑上的大氣相互作用而獲得定量的相關(guān)參數(shù)，這是激光雷達(dá)大氣探測(cè)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)［15-17］。采用脈沖激光可以根據(jù)回波到達(dá)時(shí)刻得到不同距離的大氣后向散射信號(hào)，從而得到大氣參數(shù)廓線。

激光與大氣相互作用可分為米散射、瑞利散射、振動(dòng)拉曼散射、轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射、熒光散射、吸收效應(yīng)、多普勒效應(yīng)、退偏振效應(yīng)等。這些相互作用機(jī)制可以應(yīng)用于大氣的云、氣溶膠、分子密度、溫度、氣壓、風(fēng)速等參數(shù)的觀測(cè)。如圖1 所示，激光雷達(dá)由激光發(fā)射、接收望遠(yuǎn)鏡、中繼光學(xué)、光電探測(cè)、控制與處理等系統(tǒng)組成。

圖1 激光雷達(dá)系統(tǒng)組成圖Fig.1 Diagram of lidar system

激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射激光脈沖，接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)收集目標(biāo)回波光子，中繼光學(xué)系統(tǒng)分離有效光譜、抑制干擾光譜，光電探測(cè)系統(tǒng)將回波光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，控制與處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)工作時(shí)序、狀態(tài)管控、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)。同時(shí)，其他位姿測(cè)量及輔助數(shù)據(jù)等與探測(cè)數(shù)據(jù)打包通過(guò)數(shù)傳通道下傳給地面接收站，最終由用戶(hù)或?qū)I(yè)人員反演得到各目標(biāo)參數(shù)信息。

基于激光與大氣的多種作用機(jī)制而研制的大氣探測(cè)激光雷達(dá)設(shè)備見(jiàn)表1［15-21］。除了高精度廓線、高分辨三維、多參數(shù)探測(cè)等特點(diǎn)外，星載大氣探測(cè)激光雷達(dá)還可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，因此，在大氣遙感領(lǐng)域發(fā)揮不可或缺的重要作用。

2 星載大氣探測(cè)激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展

1994 年搭載于美國(guó)航天飛機(jī)的激光雷達(dá)LITE（Lidar In-Space Technology Experiment）完成了在軌試驗(yàn)，證明了星載激光雷達(dá)對(duì)云、氣溶膠觀測(cè)的可行性［22］。之后，世界各國(guó)先后發(fā)射了十幾臺(tái)1 套星載大氣探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)（見(jiàn)表2），提出并實(shí)施了多個(gè)載荷研制和發(fā)展計(jì)劃［23-28］。

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

表2 大氣環(huán)境探測(cè)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外星載激光遙感項(xiàng)目Tab.2 Domestic and overseas space-borne laser remote sensing projects in the field of atmospheric detection

國(guó)內(nèi)外在軌或在研的星載大氣探測(cè)激光雷達(dá)科學(xué)目標(biāo)、載荷參數(shù)、試驗(yàn)情況等在文獻(xiàn)［23-28］中多有詳細(xì)介紹，本文不再贅述。本文將從云、氣溶膠、大氣成分3 類(lèi)目標(biāo)的觀測(cè)需求、技術(shù)途徑、載荷特點(diǎn)和可行性條件分別進(jìn)行討論。

2.1 云觀測(cè)激光雷達(dá)

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

星載激光雷達(dá)可在衛(wèi)星飛行過(guò)程中通過(guò)推掃方式獲得云的水平分布參數(shù)。通過(guò)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(xué)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(shí)間有關(guān)，且云散射強(qiáng)度僅次于地表反射，所以幾乎所有的星載對(duì)地觀測(cè)激光雷達(dá)都可以用作云高探測(cè)，如用于地表高程探測(cè)的激光測(cè)高儀（地球科學(xué)激光測(cè)高儀系統(tǒng)GLAS（the Geoscience Laser Altimeter System）［31-32］、先進(jìn)地表激光測(cè)高系統(tǒng)ATLAS（Advanced Topographic Laser Altimeter System）［33］等。但并不是所有的激光測(cè)高儀都配備了云高探測(cè)功能，如NASA（National Aeronautics and Space Administration）的全球生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究激光雷達(dá)GEDI（Global Ecosystem Dynamics Investigation）［34］，我國(guó)的資源衛(wèi)星激光測(cè)高儀［35］、陸地生態(tài)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星多波束植被測(cè)量激光雷達(dá)CM-1（Terrestrial Ecosystem Carbon Monitoring Satellite）等［36］，這是很遺憾的。

云相態(tài)觀測(cè)主要是為區(qū)分水云粒子和冰云粒子，通過(guò)激光偏振探測(cè)可實(shí)現(xiàn)云相態(tài)的識(shí)別［15-17］，如水云退偏比約為0，卷云退偏比可達(dá)0.5［37］。這需要對(duì)發(fā)射激光進(jìn)行偏振控制，對(duì)接收光進(jìn)行退偏振測(cè)量，同時(shí)對(duì)接收光學(xué)系統(tǒng)的保偏、檢偏特性也提出了較高的要求，增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研制和定標(biāo)負(fù)擔(dān)。在NASA 的正交偏振云-氣溶膠激光雷達(dá)CALIOP（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization）之前的星載大氣探測(cè)激光雷達(dá)都沒(méi)有配置該功能，從CALIOP 開(kāi)始，新研制的大氣探測(cè)激光雷達(dá)都開(kāi)始配置這個(gè)功能［38-40］。

理論上，通過(guò)激光多波長(zhǎng)探測(cè)可獲得云粒子尺度信息［41］。在激光波長(zhǎng)與粒子尺度相當(dāng)?shù)臈l件下，不同的粒子尺度對(duì)波長(zhǎng)的響應(yīng)不同，通過(guò)相應(yīng)的散射和消光模型，可由多波長(zhǎng)回波信號(hào)反演粒子的尺度、形狀等信息。云粒子平均尺度一般遠(yuǎn)大于激光波長(zhǎng)，因而多波長(zhǎng)激光后向散射差異較小，CALIOP利用這種特性對(duì)1 064 nm 和532 nm 雙通道相對(duì)常數(shù)進(jìn)行定標(biāo)［42］。也有學(xué)者根據(jù)多波長(zhǎng)透過(guò)率的不同對(duì)卷云的形狀和尺度開(kāi)展了相應(yīng)的研究［43］。多波長(zhǎng)激光雷達(dá)對(duì)云粒子尺度反演的應(yīng)用可行性和適用性還有待進(jìn)一步研究，在氣溶膠粒子尺度探測(cè)方面則比較明確［16-17］。

2015 年以NASA“云氣溶膠傳輸系統(tǒng)”CATS（Cloud-Aerosol Transport System）為代表高重頻微脈沖激光雷達(dá)發(fā)射，并在軌裝載于國(guó)際空間站［44-45］。高重頻微脈沖激光雷達(dá)具有小型化、高效率、低損傷、適裝性強(qiáng)等特點(diǎn)，可星座組網(wǎng)探測(cè)。但這種體制需要光子級(jí)靈敏度的探測(cè)器，以及較高的背景抑制比，同時(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研制中帶來(lái)波長(zhǎng)優(yōu)選、波長(zhǎng)穩(wěn)定性、線寬控制、窄帶濾波、高動(dòng)態(tài)范圍探測(cè)及校正等一系列問(wèn)題，為設(shè)備研制增加了一定的難度。

2.2 氣溶膠觀測(cè)激光雷達(dá)

氣溶膠的觀測(cè)分為宏觀和微觀兩個(gè)方面：宏觀方面主要觀測(cè)水平分布、垂直分布；微觀方面考察其種類(lèi)（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(dá)可獲得氣溶膠垂直分布廓線，通過(guò)衛(wèi)星推掃獲得其水平分布，這與云的宏觀測(cè)量相似。由于后向散射信號(hào)較弱，氣溶膠測(cè)量需要多次脈沖累積、高激光功率、大口徑接收、高探測(cè)靈敏度。氣溶膠探測(cè)通道可進(jìn)行云探測(cè)，云探測(cè)通道不一定能用于氣溶膠探測(cè)。

在微觀探測(cè)方面，氣溶膠種類(lèi)、粒徑、粒徑分布、濃度等都是影響其對(duì)輻射、降水等作用的重要因素［6，46］。退偏振探測(cè)可有效區(qū)分氣溶膠某些種類(lèi)，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(zhǎng)后向散射激光雷達(dá)可以通過(guò)反演［47-48］獲得一定精度（20%～50%）［37］的消光系數(shù)廓線和光學(xué)厚度。用多波長(zhǎng)激光雷達(dá)可以估算粒子的粒徑，進(jìn)一步修正相關(guān)誤差。因此，國(guó)外發(fā)展了采用多波長(zhǎng)、偏振技術(shù)的CALIOP、CATS 等激光雷達(dá)以滿(mǎn)足氣候、氣象、環(huán)保方面的觀測(cè)需求。

多波長(zhǎng)偏振的后向散射激光雷達(dá)在反演時(shí)需要事先假設(shè)氣溶膠的激光雷達(dá)比、標(biāo)定點(diǎn)消光或散射參數(shù)，這引入了較大的誤差（約20%～50%，極端情況達(dá)到100%［37］）。這些誤差給氣候預(yù)測(cè)帶來(lái)了極大的不確定性。為解決反演誤差問(wèn)題，發(fā)展了高光譜分辨激光雷達(dá)（High Spectra Resolution Lidar，HSRL）技術(shù)，該技術(shù)可以直接測(cè)量激光雷達(dá)比，提高對(duì)氣溶膠微物理特性的觀測(cè)精度［16-17］。

HSRL 技術(shù)理論并不復(fù)雜，但是單頻脈沖激光器、高光譜分辨光學(xué)系統(tǒng)及其波長(zhǎng)的匹配控制，是制約該類(lèi)星載激光雷達(dá)發(fā)展的難點(diǎn)［16-17，49］。雖然國(guó)內(nèi)外都開(kāi)展了大量地基試驗(yàn)研究，但是星載方面直到2015 年才在CATS 上進(jìn)行了初步驗(yàn) 證［44］，但是該功能很快失效。2018 年上天的ALADIN（Atmospheric LAser Doppler INstrument）在進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)測(cè)量的同時(shí)也進(jìn)行了該技術(shù)驗(yàn)證［50-51］。

在大氣探測(cè)激光雷達(dá)的仿真和數(shù)據(jù)處理中，一般后向散射系數(shù)用β表示，消光系數(shù)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(cè)的星載激光雷達(dá)也可以按上述符號(hào)分類(lèi)，見(jiàn)表3。

表3 氣溶膠探測(cè)能力對(duì)比Tab.3 Comparison of aerosol detection capabilities

在2015 年之后，星載HSRL 已逐漸進(jìn)入實(shí)用階段。理論和實(shí)踐已經(jīng)證明，要全面、準(zhǔn)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(duì)現(xiàn)有的技術(shù)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)，目前公開(kāi)報(bào)道項(xiàng)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(cè)激光雷達(dá)

星載大氣成分觀測(cè)激光雷達(dá)的觀測(cè)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(cè)量一般通過(guò)差分吸收實(shí)現(xiàn)［15-17］。針對(duì)目標(biāo)分子，需要選擇一個(gè)處于分子吸收線內(nèi)的工作波長(zhǎng)λon以及一個(gè)吸收極小甚至不吸收的波長(zhǎng)λoff，這兩個(gè)波長(zhǎng)相差不能太大，以避免因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)差引起的誤差超過(guò)觀測(cè)誤差。不考慮波長(zhǎng)差的情況下，高度z以上的分子數(shù)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(tǒng)定標(biāo)常數(shù)；P為回波信號(hào)。

根據(jù)數(shù)密度反演公式可以推導(dǎo)出相對(duì)誤差公式為

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

在進(jìn)行差分吸收測(cè)量時(shí)對(duì)工作波長(zhǎng)的大氣吸收特性、探測(cè)信噪比都有一定的要求。以CO2為例，設(shè)其含量為400×10-6［55］，則對(duì)（1～4）×10-6的測(cè)量誤差提出的信噪比RSN和單程相對(duì)吸收透過(guò)率T需求如圖2 所示。

圖2 不同CO2探測(cè)精度時(shí)單程相對(duì)吸收透過(guò)率和信噪比需求關(guān)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(duì)吸收透過(guò)率過(guò)高或過(guò)低都不利于分子濃度探測(cè)，需要選擇合適的工作波長(zhǎng)。除滿(mǎn)足上述要求外，所選波長(zhǎng)也需要排除其他分子的光譜干擾。當(dāng)前較成熟的激光器可選波長(zhǎng)有限，因此需要OPO（Optical Parametric Oscillator）等手段實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)輸出；為了保證吸收截面的穩(wěn)定性，對(duì)激光發(fā)射波長(zhǎng)穩(wěn)定性、線寬等都要提出極高的控制要求；對(duì)于天頂角不為0°的激光雷達(dá)，還需要考慮到衛(wèi)星相對(duì)大氣飛行時(shí)速度分量引起的多普勒頻移補(bǔ)償。

探測(cè)信噪比與激光發(fā)射能量、接收口徑、散射強(qiáng)度、探測(cè)靈敏度、背景光抑制能力等密切相關(guān)。激光發(fā)射能量的提高會(huì)提高激光器的研制難度和復(fù)雜度，降低可靠性。差分吸收激光雷達(dá)的工作波長(zhǎng)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(tǒng)長(zhǎng)期保持較高的探測(cè)信噪比和探測(cè)精度，因而該類(lèi)星載激光雷達(dá)普遍采用以地表回波探測(cè)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(qiáng)的條件下也可以實(shí)現(xiàn)廓線探測(cè)。

典型星載大氣分子探測(cè)激光雷達(dá)采用雙脈沖體制［16-17］，其原理如圖3（a）所示。在微秒量級(jí)的時(shí)間間隔內(nèi)激光器分別發(fā)射λon和λoff脈沖。因?yàn)闀r(shí)間極短，可以近似認(rèn)為兩個(gè)脈沖由同一地表區(qū)域反射，在接收端分別獲得兩個(gè)脈沖的回波信號(hào)，進(jìn)而反演柱濃度。這種方式在實(shí)際測(cè)量中不但受到激光發(fā)射波長(zhǎng)穩(wěn)定性的影響，還受到大氣溫度廓線、氣壓廓線、風(fēng)速等的影響。這些影響制約了該類(lèi)激光雷達(dá)的測(cè)量能力和研制進(jìn)度，目前歐空局采用該體制測(cè)量CO2的A-SCOPE（Advanced Space Carbon and Climate Observation of Planet Earth）項(xiàng)目處于停滯狀態(tài)［57-59］，CNES（National Centre for Space Studies）采用該體制測(cè)量CH4的MERLIN（Methane Remote Sensing Lidar Mission）項(xiàng)目計(jì)劃于2024 年發(fā)射［59-60］。NASA 在ASCENDS（Active Sensing of CO2Emissions during Nights，Days，and Seasons）中提出波長(zhǎng)掃描體制［61-62］，如圖3（b）所示。

圖3 雙脈沖體制和多波長(zhǎng)掃描體制示意圖（以CO2吸收波長(zhǎng)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(dá)在工作時(shí)發(fā)射的不是一個(gè)波長(zhǎng)，而是分時(shí)發(fā)射一組波長(zhǎng)，這組波長(zhǎng)從吸收光譜的一側(cè)掃描至另一側(cè)，在接收端得到整層大氣的吸收光譜離散采樣結(jié)果。通過(guò)擬合手段由離散結(jié)果可以得到完整的吸收光譜。該方法對(duì)波長(zhǎng)穩(wěn)定性、溫度、氣壓等影響有較好的適應(yīng)性。ASCENDS 還配置了O2探測(cè)通道，用于校正測(cè)量點(diǎn)的氣壓數(shù)據(jù)，從而提高反演精度。該系統(tǒng)目前還未進(jìn)入到工程研制階段［60］。該技術(shù)要求短時(shí)間內(nèi)完成波長(zhǎng)掃描，同時(shí)信噪比也要滿(mǎn)足一定要求，因此，在激光發(fā)射端和高靈敏探測(cè)接收端都提出了新的要求、挑戰(zhàn)，目前這些問(wèn)題已得到解決，并持續(xù)進(jìn)行了機(jī)載試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.4 我國(guó)星載大氣探測(cè)激光雷達(dá)

我國(guó)近年來(lái)加快了星載大氣探測(cè)激光雷達(dá)研制步伐，安排了多個(gè)預(yù)研和型號(hào)項(xiàng)目。但主要還處于跟跑階段。

型號(hào)方面，我國(guó)分別安排了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星多波束激光雷達(dá)CM-1 和大氣環(huán)境參數(shù)激光雷達(dá)ACDL（Aerosol and Carbon dioxide Detection Lidar）［36］。CM-1 通過(guò)激光雷達(dá)測(cè)量全球植被高度、云和氣溶膠，為氣候研究和林業(yè)應(yīng)用提供全球植被碳儲(chǔ)量及云、氣溶膠三維分布信息。該激光雷達(dá)共有6 個(gè)波束，其中5 個(gè)波束用于植被高度探測(cè)，另一個(gè)波束用于云和氣溶膠探測(cè)。CM-1 中云和氣溶膠的探測(cè)體制、參數(shù)和指標(biāo)主要借鑒CALIOP，實(shí)現(xiàn)2β（α）+1δ探測(cè)能力。大氣環(huán)境參數(shù)激光雷達(dá)ACDL 用于測(cè)量全球CO2柱濃度、云和氣溶膠三維分布信息。該激光雷達(dá)采用1.57 μm、1 064 nm、532 nm 3 個(gè)波長(zhǎng)，在1.57 μm 波長(zhǎng)上采用雙脈沖IPDA 體制測(cè)量CO2柱密度，在532 nm 波長(zhǎng)使用了HSRL 技術(shù)并實(shí)現(xiàn)偏振探測(cè)，同時(shí)1 064 nm 波段實(shí)現(xiàn)氣溶膠測(cè)量，最終形成3β+2α+1δ探測(cè)能力。這兩臺(tái)激光雷達(dá)載荷計(jì)劃于2020—2025 年間實(shí)現(xiàn)在軌運(yùn)行。

以CATS 為藍(lán)本開(kāi)展了星載小型化激光云高儀研究，該激光雷達(dá)通過(guò)高重頻、微脈沖體制實(shí)現(xiàn)云、氣溶膠全球三維觀測(cè)，具體參數(shù)指標(biāo)和實(shí)現(xiàn)路徑尚在研究當(dāng)中［63］。此外，我國(guó)近年來(lái)也開(kāi)展了頻率梳技術(shù)［64］、光絲技術(shù)［65］等新體制的研究和論證工作。

3 空間大氣探測(cè)激光雷達(dá)發(fā)展趨勢(shì)

星載大氣探測(cè)激光雷達(dá)的發(fā)展，是科學(xué)需求、探測(cè)理論、硬件技術(shù)、應(yīng)用能力波浪式推動(dòng)和迭代的過(guò)程?？茖W(xué)需求牽引了激光雷達(dá)探測(cè)理論的發(fā)展，激光器、探測(cè)器等硬件技術(shù)的發(fā)展，基于觀測(cè)數(shù)據(jù)支撐下應(yīng)用和理論水平提升，促進(jìn)了需求的進(jìn)一步發(fā)展。4 種要素中每一種的突破都推動(dòng)著星載大氣探測(cè)激光雷達(dá)的進(jìn)步，進(jìn)步的不斷累積催生了星載大氣探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)的新突破。體現(xiàn)在時(shí)間軸上，其發(fā)展的弱周期性見(jiàn)表2 和表3。

20 世紀(jì)90 年代至2006 年，多波長(zhǎng)偏振后向散射激光雷達(dá)迅速發(fā)展，該發(fā)展期持續(xù)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(shù)上遇到阻礙，直至2015 年HSRL 才開(kāi)始在軌驗(yàn)證。2018 年ALADIN 的入軌運(yùn)行標(biāo)志著星載HSRL 正式進(jìn)入應(yīng)用階段，也預(yù)示新一輪發(fā)展周期的開(kāi)始。在這輪發(fā)展周期中，不但有配置了HSRL技術(shù)的ATLID、ACE 等激光雷達(dá)，也有以CO2、CH4等為目標(biāo)的激光雷達(dá)出現(xiàn)。CALIOP 發(fā)射后10 a 的技術(shù)累積，推進(jìn)了星載大氣探測(cè)激光雷達(dá)進(jìn)入新的發(fā)展階段。在云和氣溶膠探測(cè)方面，CATS、ALADIN以及近年計(jì)劃發(fā)射的ATLID、ACE 都配置了HSRL，ACE 的目標(biāo)是具備3β+2α+2δ的氣溶膠觀測(cè)能力。HSRL 是今后一段時(shí)期星載云、氣溶膠激光雷達(dá)重要發(fā)展方向。

云氣溶膠探測(cè)激光雷達(dá)的另一個(gè)發(fā)展方向是以CATS 為代表的小型高重頻微脈沖激光雷達(dá)，其低成本、低資源占用、高可靠、易量產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)使其成為未來(lái)全球云、氣溶膠星座化觀測(cè)的優(yōu)選設(shè)備。星座探測(cè)可以提供更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)，推動(dòng)多源數(shù)據(jù)融合反演技術(shù)發(fā)展，優(yōu)化提升反演精度和應(yīng)用價(jià)值。

星載大氣成分濃度觀測(cè)激光雷達(dá)主要以IPDA體制為主，在云、氣溶膠富集的部分區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)廓線觀測(cè)。由于技術(shù)和資源的綜合制約，近期星載激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)多種溫室氣體、污染氣體探測(cè)還有難度，雙脈沖體制和多脈沖波長(zhǎng)掃描激光雷達(dá)都未進(jìn)行在軌驗(yàn)證。目前較為明確的是CO2和CH4觀測(cè)激光雷達(dá)將在2025 年之前在軌探測(cè)。

總的來(lái)說(shuō)，云、氣溶膠的星載激光雷達(dá)未來(lái)有兩大趨勢(shì)：1）具有3β+2α+2δ功能的高精度高成本綜合性科學(xué)觀測(cè)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(shè)的小型高重頻微脈沖低成本載荷。大氣成分探測(cè)的星載激光觀測(cè)近期會(huì)以雙脈沖IPDA 和多脈沖波長(zhǎng)掃描IPDA 體制并行為主。

雙端激光雷達(dá)形式的激光掩星大氣廓線的探測(cè)是近年來(lái)新的熱點(diǎn)，這種體制的積分路徑比垂直方式增加了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，在痕量氣體觀測(cè)方面極具優(yōu)勢(shì)。歐洲科學(xué)家已開(kāi)展了十幾年的研究［66-67］，我國(guó)也開(kāi)展了該類(lèi)探測(cè)方式的研究并取得了階段性成果［68］。

頻率梳技術(shù)、光絲技術(shù)等新技術(shù)、新理論、新體制的出現(xiàn)也為未來(lái)的星載大氣探測(cè)激光雷達(dá)發(fā)展提供了更多的可選途徑，拓展了探測(cè)能力和應(yīng)用范圍。

4 啟示與建議

從國(guó)內(nèi)外星載激光大氣探測(cè)雷達(dá)的發(fā)展，得到啟示和建議如下：

1）激光雷達(dá)在全球大氣探測(cè)中展示了高時(shí)空分辨、高精度探測(cè)、多參數(shù)測(cè)量、連續(xù)廓線數(shù)據(jù)等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已成為大氣觀測(cè)的重要的、不可替代的手段。

2）大氣探測(cè)激光雷達(dá)基于主要科學(xué)和工程目標(biāo)而研制，探測(cè)體制和技術(shù)呈多樣性發(fā)展，各有所長(zhǎng)，沒(méi)有那種體制占明顯優(yōu)勢(shì)，方案選取依需而定。

3）星載大氣探測(cè)激光雷達(dá)發(fā)展呈弱周期性規(guī)律，這是由于理論研究、科學(xué)需求、器件和技術(shù)發(fā)展、載荷能力在軌驗(yàn)證、工程應(yīng)用、技術(shù)提升與優(yōu)化等多環(huán)節(jié)輪動(dòng)所致。

4）我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用能力建設(shè)，加大關(guān)鍵技術(shù)、核心器件的研發(fā)投入和支持力度，強(qiáng)化科學(xué)目標(biāo)牽引、載荷技術(shù)支持、衛(wèi)星配套服務(wù)的論證和研制體系，以應(yīng)對(duì)更新、更高的觀測(cè)需求。

5）激光雷達(dá)是跨領(lǐng)域多學(xué)科交叉的應(yīng)用系統(tǒng)，科學(xué)目標(biāo)與工程實(shí)現(xiàn)之間要相互協(xié)調(diào)、互為支撐，在頂層設(shè)計(jì)統(tǒng)籌下有計(jì)劃分階段的設(shè)立并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

6）激光雷達(dá)是對(duì)其他遙感系統(tǒng)的有效補(bǔ)充，更加注重廓線探測(cè)、空間分辨和測(cè)量精度，在水平覆蓋、探測(cè)效率等方面存在天然不足，激光雷達(dá)與其他遙感手段結(jié)合，才能構(gòu)建更加科學(xué)的觀測(cè)體系，為科學(xué)研究和遙感應(yīng)用提供更有力的支撐保障。