卜令兵，王鳳陽，安 寧，王 勤，郭 丁，索 樂

（1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)警與估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109；3.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094；4.國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局 重大專項(xiàng)工程中心，北京 100101）

0 引言

在過去幾十年中，隨著人類活動(dòng)加劇，各類化石燃料的消耗增大，大氣中溫室氣體的濃度也在逐年遞增。政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次評(píng)估報(bào)告指出，人類活動(dòng)對(duì)全球溫度升高有很大影響，較工業(yè)革命前升高了約1.0 ℃，海平面上升速度和冰川退縮速度前所未有［1］。由于全球升溫，導(dǎo)致干旱、強(qiáng)降水、洪水等各類極端天氣數(shù)量增多。氣候變化對(duì)全人類生存的影響很大，難以忽視。提高氣候變化的應(yīng)對(duì)能力，對(duì)于全球國(guó)家而言十分重要。在2020 年，第七十五屆聯(lián)合國(guó)一般性辯論中，中國(guó)提出了“雙碳”目標(biāo)［2］，力爭(zhēng)在2030 年前達(dá)到碳達(dá)峰，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和，并在2021 年正式上線了全國(guó)碳排放權(quán)益交易市場(chǎng)。該措施正是為了有效減少CO2排放，推進(jìn)綠色低碳發(fā)展。因此，有效準(zhǔn)確地獲取全球范圍CO2的高精度時(shí)空分布至關(guān)重要。只有了解CO2源和匯的分布，才能實(shí)施精準(zhǔn)措施開展針對(duì)性的治理，才能夠有效減少CO2的排放。

為了準(zhǔn)確了解人類活動(dòng)排放的CO2，對(duì)其進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)和控制，已經(jīng)有多種監(jiān)測(cè)CO2的方法。現(xiàn)代大氣中早在1957 年就開始進(jìn)行CO2濃度的監(jiān)測(cè)，在毛納洛亞山頂使用燒瓶獲取大氣CO2的背景濃度［3］。美國(guó)大氣海洋局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）地球系統(tǒng)研究試驗(yàn)室（Earth System Research Laboratory，ESRL）組織建立了全球溫室氣體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（Global Greenhouse Gas Reference Network，GGGRN），包括4 個(gè)基準(zhǔn)站、8 個(gè)高塔站和分布在全球50 多個(gè)空氣采樣站［4-6］。2004 年，國(guó)際科學(xué)家組織建立了全球CO2濃度觀測(cè)網(wǎng)（Total Carbon column Observing Network，TCCON），由多個(gè)國(guó)家的地面站點(diǎn)組成，搭載近紅外光譜觀測(cè)的傅里葉變換光譜儀，我國(guó)的合肥站和香河站處于觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中［7］。2021 年，中國(guó)氣象局發(fā)布了我國(guó)第一份國(guó)家溫室氣體觀測(cè)網(wǎng)名錄［8］，覆蓋全國(guó)主要?dú)夂蜿P(guān)鍵區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度測(cè)量，60 個(gè)站點(diǎn)包括國(guó)家大氣本底站、國(guó)家氣候觀象臺(tái)和國(guó)家及省級(jí)應(yīng)用氣象觀測(cè)站，觀測(cè)要素涵蓋CO2等7 類溫室氣體。除了地面站點(diǎn)觀測(cè)外，機(jī)載飛行搭載大氣采樣系統(tǒng)也是一種探測(cè)CO2的手段，利用飛機(jī)搭載大氣采樣系統(tǒng)收集大氣樣本進(jìn)行氣體分析也有報(bào)道［9-12］。

地基站點(diǎn)和機(jī)載飛行采樣的探測(cè)方式雖然能夠獲得精度較高的CO2氣體濃度數(shù)據(jù)，但是由于站點(diǎn)數(shù)量受限和飛行區(qū)域范圍不夠大，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)密度不高，地形覆蓋面積不廣。相對(duì)于上述方式，衛(wèi)星遙感的方法能夠獲取進(jìn)行全球范圍內(nèi)較高精度CO2探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于CO2的時(shí)空分布能夠更好地進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前被動(dòng)衛(wèi)星遙感的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，但由于依賴于太陽光，并受云和氣溶膠的影響，所以數(shù)據(jù)有效率不高。因此，主動(dòng)遙感與被動(dòng)遙感衛(wèi)星相結(jié)合是后續(xù)發(fā)展的主要趨勢(shì)，同時(shí)有必要利用地面站點(diǎn)的高精度數(shù)據(jù)對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。本文將對(duì)CO2探測(cè)的星載被動(dòng)遙感衛(wèi)星進(jìn)行比較描述，并對(duì)主動(dòng)遙感衛(wèi)星的研制工作和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

1 被動(dòng)遙感測(cè)量

被動(dòng)遙感原理主要是通過測(cè)量太陽近紅外光譜來實(shí)現(xiàn)CO2濃度的反演。目前，利用被動(dòng)遙感衛(wèi)星進(jìn)行太陽光后向散射光譜反演的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，全球多個(gè)國(guó)家也相繼發(fā)射了一系列搭載被動(dòng)遙感探測(cè)儀器的衛(wèi)星，主要有歐洲航天局發(fā)射的ENVISAT（Environmental Satellite）；日本宇宙航空研發(fā)機(jī)構(gòu)發(fā)射的GOSAT（The Greenhouse Gases Observing Satellite）、GOSAT-2（The Greenhouse Gases Observing Satellite-2）；美國(guó)國(guó)家航空和航天局發(fā)射的OCO-2（The Orbiting Carbon Observatory-2）、OCO-3（The Orbiting Carbon Observatory-3）；中國(guó)發(fā)射的Tan Sat（The Chinese Carbon Dioxide Observation Satellite）。這些衛(wèi)星搭載的探測(cè)器通過對(duì)太陽光近紅外波段的光譜信息進(jìn)行分析，從而獲取探測(cè)CO2的濃度信息。

歐洲航天局于2022 年3 月發(fā)射了環(huán)境衛(wèi)星ENVISAT，搭載大氣掃描成像吸收光譜儀（Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography，SCIAMACHY）［13］。SCIAMACHY儀器由反射鏡系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡、光柵光譜儀、溫控子系統(tǒng)和電子子系統(tǒng)這5 個(gè)部分組成，采用星下點(diǎn)或臨邊觀測(cè)模式，可在240～2 400 nm 光譜區(qū)域范圍內(nèi)測(cè)量散射、反射和透射的太陽輻射光譜，通過8 個(gè)通道對(duì)幾種典型溫室氣體，大氣溫度、壓強(qiáng)，太陽光譜進(jìn)行測(cè)量。其中通道6 用于CO2測(cè)量，測(cè)量光譜區(qū)域?yàn)?70～1 772 nm，光譜分辨率為1.4 nm。2012 年，SCHNEISING 等［14］利用WFM-DOAS 算法反演SCIAMACHY 數(shù)據(jù)，并與TCCON 站點(diǎn)的結(jié)果進(jìn)行比較，CO2柱濃度（Column-averaged Dry-air Mole Fraction of Carbon Dioxide，XCO2）的區(qū)域精度約為2.2×10-6，在半徑為500 km 的范圍內(nèi)月平均相對(duì)精度為1.1×10-6～1.2×10-6，能夠?yàn)榈孛嬲军c(diǎn)稀疏的區(qū)域提供信息［14］。ENVISAT 已經(jīng)于2012 年4 月停止運(yùn)行。

日本宇宙航空研發(fā)機(jī)構(gòu)于2019 年1 月發(fā)射了溫室氣體衛(wèi)星GOSAT［15］，用于CO2和甲烷（CH4）的測(cè)量，軌道高度為666 km，軌道傾角為98°，重訪周期為3 d。GOSAT 衛(wèi)星上搭載用于碳觀測(cè)傅里葉變換光譜儀（Carbon Observation Fourier Transform Spectrometer，TANSO-FTS）和云和氣溶膠成像儀（The Cloud and Aerosol Imager，TANSO-CAI）。TANSO-FTS 能夠檢測(cè)地球表面反射的短波紅外輻射（Shortwave Infrared Radiation，SWIR）和從地面及大氣發(fā)射的熱紅外（Thermal Infrared Radiation，TIR）輻射，用來進(jìn)行CO2、CH4和水汽（H2O）等氣體的探測(cè)，在近紅外波段有3 個(gè)窄帶（0.76、1.60 和2.00 μm；TANSO-FTS 波段1、2 和3），一個(gè)寬熱紅外帶（5.5～14.3 μm；TANSO-FTS波段4），光譜分辨率為0.2 cm-1。TANSO-FTS 包括3 個(gè)探測(cè)波段，其中心長(zhǎng)為0.76 μm 稱為O2A 帶，用于探測(cè)O2濃度并用于轉(zhuǎn)化CO2混合比，第2 個(gè)和第3 個(gè)均為探測(cè)CO2的通道，探測(cè)波段分別為1.56～1.72 μm 和5.5～14.3 μm，結(jié)合3 個(gè)通道可以獲取CO2的柱濃度。GOSAT 在大多數(shù)的觀測(cè)中，XCO2反演精度不超過1%，但能夠用于反演分析的場(chǎng)景只有3%［16］。2016 年，KUZE 等［17］報(bào)告了2009 年2 月到2015 年6 月的數(shù)據(jù)產(chǎn)品結(jié)果，CO2和CH4的柱濃度典型精度分別為2×10-6（0.5%）和13×10-9（0.7%），相較于2011 年YOSHIDA 等［16］報(bào)道的XCO2和甲烷柱（XCH4）（3.5×10-6，15×10-9）的精度有所提升。GOSAT-2 于2018 年10 月發(fā)射，軌道高度613 km，傾角為98 °，重訪周期為6 d。經(jīng)過數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，GOSAT-2 的探測(cè)結(jié)果與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保持一致，能夠滿足觀測(cè)。與GOSAT 相比，SWIR 的光譜覆蓋范圍擴(kuò)大到2.3 μm，以此來獲得更好的觀測(cè)能力，測(cè)定1.6、2.0、2.3 μm 的XCO2，視場(chǎng)更大（穿軌方向達(dá)±40°，超過FTS 的±20°）［18］，信噪比更高，增加了一個(gè)完全可編程的指向系統(tǒng)，以擴(kuò)展觀測(cè)控制能力。該系統(tǒng)允許操作人員指向地球表面的任何位置，每天對(duì)觀測(cè)地點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)和管理［19］。2022 年6 月，GOSAT 衛(wèi)星全球XCO2分布結(jié)果，如圖1 所示。

圖1 2022 年6 月GOSAT 衛(wèi)星全球XCO2分布Fig.1 Global XCO2 distribution measured by the GOSAT satellite in June 2022

美國(guó)國(guó)家航空航天局于2014 年7 月成功發(fā)射碳觀測(cè)衛(wèi)星2 號(hào)（Orbiting Carbon Observatory-2，OCO-2），搭載了3 臺(tái)高分辨率光柵光譜儀［20-21］，衛(wèi)星軌道高度為705 km。OCO-2 衛(wèi)星在3 個(gè)近紅外光譜區(qū)域進(jìn)行測(cè)量：第1 個(gè)區(qū)域在中心波長(zhǎng)為0.765 μm 附近的O2A 通道；第2、3 個(gè)區(qū)域分別在中心波長(zhǎng)為1.61 和2.06 μm 附近的CO2吸收通道，光譜分辨率最高可以達(dá)到0.04 nm。該3 個(gè)通道分別被命名為ABO2、WCO2和SCO2。O2A 通道觀測(cè)光譜主要是將CO2分子柱濃度轉(zhuǎn)化為XCO2。3 個(gè)通道光柵光譜儀具有相似的光學(xué)合計(jì)，共用一個(gè)焦距為200 mm 的F/1.8 的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡。每個(gè)光譜儀每秒收集24 條光譜曲線，每天在陽光照射的半球區(qū)域內(nèi)獲取100 萬觀測(cè)值，但由于氣溶膠和云的影響，OCO-2 每天獲取的XCO2估計(jì)值數(shù)量大概只有觀測(cè)值的10% 左右，長(zhǎng)期誤差在3×10-6以內(nèi)［21］。經(jīng)過濾波和偏差修正，與地面TCCON 站點(diǎn)相比，絕對(duì)中值差小于0.4×10-6［22］。2019 年5 月，OCO-3 衛(wèi)星搭載OCO-2 衛(wèi)星的備用光譜儀發(fā)射升空，與OCO-2 相比，受低軌道傾角的限制，只能觀測(cè)南北緯52°之間的地區(qū)。相較于OCO-2，除了天底（nadir）、目標(biāo)（target）、耀斑（sun-glint）這3 種模式外，增加了一種“快照區(qū)域映射模式（Snapshot Area Mapping Mode，SAM）”，多了三維掃描的能力。2020 年，TAYLOR 等［23］報(bào)告了OCO-3 的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，在天底、目標(biāo)和耀斑模式下，均方根誤差分別為等于1×10-6、1×10-6、2×10-6。2022 年6 月OCO-2衛(wèi)星全球XCO2分布結(jié)果，如圖2 所示。

圖2 2022 年6 月OCO-2 衛(wèi)星全球XCO2分布Fig.2 Global XCO2 distribution measured by the OCO-2 satellite in June 2022

中國(guó)同樣開展了一系列用于觀測(cè)CO2衛(wèi)星的研制工作。2016 年，我國(guó)成功發(fā)射全球CO2觀測(cè)衛(wèi)星Tan Sat［24］，軌道高度為705 km，升交點(diǎn)為地方時(shí)13：30。Tan Sat 衛(wèi)星有天底、耀斑、目標(biāo)這3 種觀測(cè)模式，主要載荷為高光譜分辨率大氣CO2光柵光譜儀（Atmospheric Carbon dioxide Grating Spectrometer，ACGS）和云和氣溶膠偏振成像儀（Cloud and Aerosol Polarimetry Imager，CAPI）［25］。ACGS 是Tan Sat 的主要儀器，用于測(cè)量O2A 波段（758～778 nm）和2 個(gè)CO2波段（1 594～1 624 nm、2 041～2 081 nm）的近紅外后向散射太陽光。光譜分辨率分別為0.044、0.12和0.16 nm。LIU 等［26］在2017年介紹了Tan Sat 衛(wèi)星和TCCON 地面站點(diǎn)的XCO2比較結(jié)果，選取Tan Sat 天底模式下的測(cè)量結(jié)果與8 個(gè)TCCON 站點(diǎn)進(jìn)行比較，結(jié)果表現(xiàn)良好（4×10-6以內(nèi)），精度優(yōu)于1%。初步結(jié)果能夠滿足了Tan Sat 衛(wèi)星的精度要求。2018 年公布了基于TANSAT 的全球XCO2結(jié)果圖如圖3 所示，數(shù)據(jù)時(shí)間為2017 年4 月和7月，可以看到北半球XCO2的季節(jié)性變化，以及中國(guó)東部、美國(guó)東部和歐洲工業(yè)地區(qū)活動(dòng)、化石燃燒等人為活動(dòng)導(dǎo)致的CO2明顯排放［27］。2021 年，HONG等［28］校準(zhǔn)了Tan Sat 太陽閃爍模式光譜，獲取了全球陸地CO2總垂直密度（VCD）和XCO2，并與TCCON、GOSAT、OCO-2 的CO2反演結(jié)果進(jìn)行了綜合驗(yàn)證，與TCCON 地基FTIR 測(cè)量結(jié)果相比，兩者具有良好的一致性，平均偏差為-0.78×10-6，標(biāo)準(zhǔn)差為1.75×10-6，相關(guān)系數(shù)為0.81，另外，GOSAT 和OCO-2 對(duì)Tan Sat的CO2驗(yàn)證結(jié)果顯示，CO2VCD 和XCO2的時(shí)空變化趨勢(shì)一致。對(duì)上文介紹的被動(dòng)遙感衛(wèi)星的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行總結(jié)，見表1。

表1 被動(dòng)遙感CO2主要衛(wèi)星參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of the main satellite parameters of passive remote sensing of CO2

圖3 2017年4月（a）和7月（b）Tan Sat衛(wèi)星全球XCO2分布［27］Fig.3 Global XCO2 distributions measured by the Tan Sat satellite in（a）April 2017 and（b）July 2017［27］

2 主動(dòng)遙感技術(shù)

被動(dòng)遙感技術(shù)十分成熟，目前在軌的被動(dòng)遙感衛(wèi)星已經(jīng)能夠獲得精度較高的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，但是由于被動(dòng)遙感觀測(cè)需要依賴太陽光，不能在夜晚和高緯度地區(qū)及兩極進(jìn)行觀測(cè)，且被動(dòng)遙感方式容易受到云和氣溶膠的干擾，導(dǎo)致獲取數(shù)據(jù)量較少。為了能夠更加準(zhǔn)確地探測(cè)自然和人為的CO2源和匯，進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定覆蓋全球范圍內(nèi)精準(zhǔn)的CO2測(cè)量至關(guān)重要。

主動(dòng)遙感原理是以激光雷達(dá)發(fā)射連續(xù)激光或者脈沖激光作為激光光源，接收大氣分子和氣溶膠的后向散射信號(hào)或者云和地面硬目標(biāo)的反射信號(hào)進(jìn)行氣體信息的探測(cè)。與被動(dòng)遙感方式相比，主動(dòng)遙感不需要依靠太陽光，能夠在太陽高度角較低甚至黑夜中進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，此外，主動(dòng)遙感能夠覆蓋陸地和海洋，彌補(bǔ)冬季對(duì)南大洋觀測(cè)的不足。差分吸收激光雷達(dá)作為一種主動(dòng)遙感設(shè)備，最早被用于探測(cè)幾種痕量氣體，包括二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、H2O 等［29-32］。差分吸收激光雷達(dá)探測(cè)時(shí)選用2 個(gè)波長(zhǎng)，稱為online 和off-line，或者多個(gè)on 和off 的波長(zhǎng)，通過比較2 個(gè)波長(zhǎng)的吸收差異，進(jìn)而反演出待測(cè)氣體的濃度，差分吸收激光雷達(dá)不但能夠獲取CO2的柱濃度，還能獲取濃度分布的廓線，同時(shí)由于激光能量高，受到云和氣溶膠的干擾小、信噪比高，其更高的空間分辨率也可以監(jiān)測(cè)局部的強(qiáng)CO2梯度，能夠加強(qiáng)對(duì)復(fù)雜地形的探測(cè)。通過穿過碎云間隙和對(duì)云頂進(jìn)行測(cè)量，能夠提高測(cè)量密度，另外，可以獲取CO2的剖面信息，能夠?qū)Ρ砻嫱窟M(jìn)行更直接的量化。目前各國(guó)衛(wèi)星計(jì)劃搭載的差分吸收激光雷達(dá)為路徑積分式［33］。

目前，主要提出發(fā)射搭載主動(dòng)探測(cè)激光雷達(dá)的衛(wèi)星有美國(guó)的ASCENDS（Active Sensing of CO2Emission over Nights，Days，and Seasons）計(jì)劃［34］、歐空局的A-SCOPE（Advanced Geospatial Carbon and Climate Observations）計(jì)劃［35］，以及我國(guó)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星［36］。其中我國(guó)的大氣監(jiān)測(cè)衛(wèi)星一號(hào)已經(jīng)于2022 年4 月16 日北京時(shí)間2：16在山西太原衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射，目前已經(jīng)開機(jī)運(yùn)行。

2.1 ASCENDS 任務(wù)

2007 年，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)在地球科學(xué)十年調(diào)查報(bào)告中提出了在夜間、白天和季節(jié)下進(jìn)行CO2的主動(dòng)遙感任務(wù)，稱為ASENDS 任務(wù)［34］，原本計(jì)劃于2016 年發(fā)射，目前已延遲發(fā)射。陸地水平分辨率為100 km 海洋地面水平分辨率為200 km，預(yù)計(jì)軌道高度為500 km，望遠(yuǎn)鏡口徑為1.5 m，單脈沖能量為3 MJ，激光脈沖寬度為1 μs，累積平均時(shí)間為10 s［33］。自ASENDS 計(jì)劃提出后，NASA 開始支持開發(fā)路徑積分式差分吸收激光雷達(dá)（Integrated Path Differential Absorption Lidar，IPDA）相關(guān)的技術(shù)并開展相應(yīng)的機(jī)載實(shí)驗(yàn)，目的是為后續(xù)的主動(dòng)遙感衛(wèi)星搭載的IPDA 激光雷達(dá)提供候選方案。

2010 年，NASA 戈達(dá)德飛行中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）報(bào)道了一種脈沖差分激光吸收雷達(dá)系統(tǒng)［37］，該激光雷達(dá)系統(tǒng)采用雙波段脈沖激光吸收光譜儀和集成路徑差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)，使用2 個(gè)可調(diào)諧脈沖激光器，能夠測(cè)量來自1 570 nm 的CO2吸收線的吸收、O2A 波段的氧氣吸收以及統(tǒng)一路徑的表面高度和大氣后向散射。主激光器的中心波長(zhǎng)為1 572.335 nm 的R16 吸收線，此處的溫度敏感性較低，以30 或15 波長(zhǎng)順序地鎖定波長(zhǎng)，并使激光脈沖跨越1 572.33 nm 的CO2線。研究人員分別在2011、2014、2016 年進(jìn)行了機(jī)載飛行實(shí)驗(yàn)。2016 年飛行試驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比，見表2。

表2 2016 年機(jī)載飛行試驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Parameters of the airborne flight test radar system in 2016

相較于2011 年，接收器由光電倍增管探測(cè)器（PMT）改為靈敏度更高的16像素碲鎘汞雪崩光電二極管激光雷達(dá)探測(cè)器（16-element HgCdTe APD lidar detector），改進(jìn)了接收機(jī)的傳輸方式，模擬輸出由模擬數(shù)字化儀記錄，激光發(fā)散角和接收機(jī)視場(chǎng)也增加。2014 年和2016 年的機(jī)載實(shí)驗(yàn)中，地表類型包括植被覆蓋的矮山、霧霾的沙漠地區(qū)、農(nóng)田及高原和農(nóng)田之間的區(qū)域、冷雪及晴空沙漠，在大部分區(qū)域進(jìn)行了螺旋下降，并將激光雷達(dá)反演結(jié)果與原位測(cè)量?jī)x的CO2柱濃度進(jìn)行比較。機(jī)載飛行總結(jié)見表3。2014年和2016年數(shù)據(jù)平均時(shí)間范圍分別為10、1 s，激光雷達(dá)反演結(jié)果與機(jī)載原位測(cè)量?jī)x的平均結(jié)果一致，在1×10-6以內(nèi)。2016 年在10 km 的飛行高度下激光雷達(dá)對(duì)沙漠表面測(cè)量的反演結(jié)果精度在1 s內(nèi)的平均時(shí)間為0.8×10-6，與2011 年結(jié)果比較，精度提高了8 倍；10 s 的平均時(shí)間激光雷達(dá)的反演精度為0.3×10-6。使用了3 種激光設(shè)置，雪地上的測(cè)量結(jié)果也與原位測(cè)量的XCO2保持了較好的一致性，精度在1×10-6內(nèi)，由于積雪表面的反射率較低，在雪面測(cè)得的XCO2的標(biāo)準(zhǔn)偏差比沙漠表面高出3倍左右［38］。

表3 機(jī)載飛行實(shí)驗(yàn)總結(jié)Tab.3 Summary of the airborne flight experiments

從2007 年開始，美國(guó)宇航局蘭利研究中心和哈里斯公司合作進(jìn)行開發(fā)和測(cè)試激光雷達(dá)技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)是開發(fā)一種基于IPDA 測(cè)量原理的強(qiáng)度調(diào)制連續(xù)波（IM-CW）激光吸收光譜儀（LAS），用于高精度的XCO2測(cè)量［39］。LAS 系統(tǒng)包括激光發(fā)射器、接收望遠(yuǎn)鏡、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和信號(hào)處理單元。IM-CW 雷達(dá)發(fā)射器使用一個(gè)5 W 的摻鉺光仟放大器，發(fā)出3 個(gè)強(qiáng)度調(diào)制連續(xù)激光，激光的波長(zhǎng)分別為1 571.112 nm 的on-line、1 571.061 nm 的off-line1 激光和1 571.161 nm 的off-line2 激光。2019 年，NASA 蘭利研究中心還開發(fā)一種先進(jìn)的激光吸收光譜儀，稱為ASCENDS 碳鷹實(shí)驗(yàn)?zāi)M器（ASCENDS Carbon Hawk Experiment Simulator，ACES），希望使其具有更低平臺(tái)尺寸、質(zhì)量和功率消耗，性能更好的星載儀器［40-42］，ACES 儀器改進(jìn)包括增加放大器的數(shù)量和額外的傳輸功率監(jiān)視器，作為額外的外部傳輸功率參考，補(bǔ)充放大器內(nèi)部的功率光纖接頭。如今，蘭利團(tuán)隊(duì)通過ACES計(jì)劃，已經(jīng)接近實(shí)現(xiàn)了任務(wù)所需的激光功率，并開發(fā)了可實(shí)現(xiàn)的路徑。目前的機(jī)載實(shí)驗(yàn)在測(cè)距和XCO2結(jié)果上有不錯(cuò)的表現(xiàn)。

2011 年，DOBLER 等［43］在Lear-25、UC-12 和DC-8 飛機(jī)上使用多功能光纖激光雷達(dá)（Multifunctional Fiber Laser Lidar，MFLL）在不同地表和大氣條件下進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。在沙漠和植被表面的IM-CW LAS 測(cè)量值原位測(cè)量?jī)xXCO2具有較好的一致性，XCO2平均值在0.17%（～0.65×10-6）范圍內(nèi)，當(dāng)平均間隔10 s 時(shí)，XCO2測(cè)量精度可以達(dá)到0.3×10-6。除了以上機(jī)載實(shí)驗(yàn)，MFLL 參與美國(guó)大氣碳與運(yùn)輸項(xiàng)目。2016 年，在該項(xiàng)目的機(jī)載實(shí)驗(yàn)中，采樣率為10 Hz，信噪比大于120 dB 的條件下，MFLL 測(cè)量結(jié)果與原位測(cè)量相似。XCO2測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性在1 h 內(nèi)的時(shí)間尺度下，系統(tǒng)變化小于0.3×10-6［44］。CAMPBELL 等［45］于2017—2018 年間進(jìn)行了機(jī)載飛行試驗(yàn)并得到了結(jié)果。將實(shí)測(cè)的氣象參數(shù)和原位測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果與IM-CW LAS 反演結(jié)果進(jìn)行比較，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.80×10-6。使用10 s 以上的移動(dòng)平均值，能夠獲得1.00×10-6以上的精度。平均時(shí)間為0.1、1.0、10.0、60.0 s；對(duì)應(yīng)的平均XCO2測(cè)量精度分別為3.40×10-6、1.20×10-6、0.43×10-6、0.26×10-6；對(duì)應(yīng)測(cè)量信號(hào)信噪比分別為120、330、950、1 600。綜上所述，測(cè)量的穩(wěn)定性、精度和準(zhǔn)確度能夠滿足研究大氣XCO2變化的要求。

另外，在美國(guó)宇航局地球科學(xué)技術(shù)辦公室（NASA’s Earth Science Technology Office，ESTO）的支持下，LARC 開發(fā)了一種2 μm 三脈沖IPDA［46-47］。通過波長(zhǎng)調(diào)諧，該三脈沖IPDA 能夠同時(shí)或單獨(dú)測(cè)量H2O 和CO2的差分光學(xué)深度。該系統(tǒng)是2 μm CO2雙脈沖IPDA 激光雷達(dá)的升級(jí)。主要升級(jí)的是2 μm 激光發(fā)射器。三脈沖IPDA 激光雷達(dá)是一種基于先進(jìn)的高重復(fù)頻率（50 Hz）、高能（80 MJ）、三脈沖、2 μm 激光發(fā)射器的直接探測(cè)系統(tǒng)。三個(gè)脈沖間隔150～200 μs，用3 種不同的波長(zhǎng)注入。2 μm 三脈沖IPDA 激光雷達(dá)要求3 個(gè)穩(wěn)定的波長(zhǎng)，線寬窄、光譜純度高。種子源是基于分布式反饋半導(dǎo)體激光二極管，工作在一個(gè)窄線寬的單一波長(zhǎng)中［48］。三脈沖IPDA 接收機(jī)是在雙脈沖激光雷達(dá)接收機(jī)的基礎(chǔ)上研制。更新包括在低信號(hào)通道中加入HgCdTe 電子引發(fā)雪崩光電二極管（e-APD）探測(cè)器陣列。并進(jìn)行了機(jī)載實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證儀器性能，儀器性能能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，能同時(shí)測(cè)量CO2和H2O。

2.2 A-SCOPE 計(jì)劃

2008 年，歐洲宇航局提出了A-SCOPE 任務(wù)［35］。A-SCOPE 是一個(gè)主動(dòng)系統(tǒng)，不依賴于太陽光，能夠進(jìn)行全天時(shí)、高緯度地區(qū)的測(cè)量，另外，由于其空間分辨率小于100 m，A-SCOPE 可以穿過云間縫隙來減少被動(dòng)衛(wèi)星的采樣點(diǎn)面積。軌道設(shè)計(jì)在上午6 時(shí)和下午6 時(shí)，晝夜云量最少，尤其是在熱帶地區(qū)?；贏-SCOPE 任務(wù)，同樣進(jìn)行了IPDA 激光雷達(dá)的研制及機(jī)載實(shí)驗(yàn)。AMEDIEK 等［49］研制了IPDA 激光雷達(dá)機(jī)載樣機(jī)，稱為CHARM-F，用以探測(cè)溫室氣體CO2和CH4。探測(cè)CO2的on-line 為1 572.02 nm，off-line 波長(zhǎng)為1 572.12 nm。樣機(jī)由一個(gè)光學(xué)頭部和2 個(gè)飛機(jī)機(jī)架組成，頭部包括激光器和接受光學(xué)元件，飛機(jī)機(jī)架用于固定電子元件和冷卻系統(tǒng)。進(jìn)行氣體探測(cè)時(shí)，激光脈沖交替發(fā)射，避免相互干擾。接收系統(tǒng)包括4 個(gè)不同大小的望遠(yuǎn)鏡，用于測(cè)量CO2和CH4，每種痕量氣體探測(cè)分別有一個(gè)直徑200 mm 的望遠(yuǎn)鏡和一個(gè)直徑60 mm 的望遠(yuǎn)鏡，前者帶有PIN 光電二極管作為探測(cè)器。激光由NDYAG 激光泵浦的光學(xué)參量振蕩器（OPOs）發(fā)射［50］，其采用穩(wěn)定的低功率連續(xù)波DFB 激光器作為注入種子，CO2采用光纖激光器。參考絕對(duì)波長(zhǎng)和種子激光器的穩(wěn)定使用一個(gè)吸收池，長(zhǎng)度為36 m，填充氣體為CH4和CO2［51］。脈沖間隔設(shè)置為500 μs，來保證2 個(gè)激光光斑的位置重疊。通過設(shè)置積分球保證監(jiān)測(cè)通道信號(hào)和回波信號(hào)被收集到相同探測(cè)器中。2015 年春天，激光雷達(dá)系統(tǒng)在高空和遠(yuǎn)程研究飛機(jī)上開展了第一次飛行試驗(yàn)，激光雷達(dá)反演結(jié)果于原位測(cè)量?jī)x保持較好的一致性，平均絕對(duì)偏差約為0.6%［52］。

2.3 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星

大氣一號(hào)（DQ-1）是國(guó)家空間基礎(chǔ)設(shè)施中全球首顆搭載主動(dòng)激光雷達(dá)CO2探測(cè)傳感器的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，DQ-1 上主要載荷為用于CO2和氣溶膠監(jiān)測(cè)路徑積分差分吸收激光雷達(dá)（ACDL）［36］。DQ-1為太陽同步軌道衛(wèi)星，軌道高度約705 km，軌道重復(fù)周期約51 d。DQ-1 能夠獲取CO2全球范圍高進(jìn)度的CO2濃度分布，除此之外，ACDL 能夠進(jìn)行532 和1 064 nm 波長(zhǎng)的激光，從而能夠進(jìn)行氣溶膠和云的探測(cè)。DQ-1 具有大氣環(huán)境溫室氣體監(jiān)測(cè)的能力，能夠?yàn)槿驓夂蜃兓芯刻峁┛茖W(xué)數(shù)據(jù)。DQ-1 載荷的激光雷達(dá)縮比系統(tǒng)研制及機(jī)載飛行實(shí)驗(yàn)在不斷開展中，該衛(wèi)星于2022 年4 月16 日成功發(fā)射，目前已開機(jī)在軌運(yùn)行。

2015 年，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制了一臺(tái)地基的雙脈沖IPDA CO2濃度探測(cè)激光雷達(dá)，并開展了地面實(shí)驗(yàn)［53］。IPDA 激光雷達(dá)包括激光發(fā)射子系統(tǒng)、接受系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?？紤]到大氣水汽和溫度對(duì)吸收截面的影響，脈沖激光器的on-line 波長(zhǎng)和off-line 波長(zhǎng)分別選擇為1 572.024、1 572.084 nm。種子激光器具有3 個(gè)DFB 激光二極管：一個(gè)用作參考激光器（RL），使用外部頻率調(diào)制技術(shù)將波長(zhǎng)鎖定到1 572.017 9 nm 處的CO2譜線中心；其他2 個(gè)用作on-line 和off-line 的種子光。通過光學(xué)鎖相環(huán)技術(shù)將on-line 和off-line 種子光分別鎖定在1 572.024 和1 572.084 nm 處。接收子系統(tǒng)中包括一個(gè)望遠(yuǎn)鏡和一個(gè)探測(cè)模塊。通過直徑為200 mm 的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡來收集從物體反射回來的激光雷達(dá)信號(hào)，太陽光背景信號(hào)通過窄帶濾光片進(jìn)行過濾，回波信號(hào)利用Licel-INGAAS 雪崩光電二極管模塊進(jìn)行測(cè)量。

2019 年3 月首次在山海關(guān)開展了機(jī)載飛行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4［54］。激光雷達(dá)除1 572 nm 的CO2探測(cè)通道外，還包括由532、1 064 nm 組成的高光譜分辨率氣溶膠探測(cè)通道，3 個(gè)波長(zhǎng)的激光均由一個(gè)三波長(zhǎng)激光器發(fā)射。飛行實(shí)驗(yàn)中為了更好地反演和分析XCO2，飛機(jī)上還搭載了XW-GI7660 導(dǎo)航系統(tǒng)、溫濕壓傳感器、原位便攜式氣體分析儀UGGA、三合一吊艙溫濕壓監(jiān)測(cè)儀及相機(jī)。飛行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為運(yùn)8 飛機(jī)，測(cè)量表面包括山區(qū)、海洋和居民區(qū)。利用多個(gè)脈沖信號(hào)做平均的方法，進(jìn)行了3 種反演方法的結(jié)果比較，AVD 方法的反演結(jié)果更接近于此次實(shí)驗(yàn)中與原位測(cè)量?jī)x結(jié)果，在遠(yuǎn)離海岸、受居民區(qū)影響較小的海域，IPDA 激光雷達(dá)系統(tǒng)反演的XCO2與現(xiàn)場(chǎng)儀器測(cè)得的CO2濃度偏差為1.30×10-6，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.02×10-6。海洋、居民區(qū)和山區(qū)的XCO2平均值分別為419.35、429.29、422.52×10-6。居民區(qū)和海洋區(qū)之間有明顯的濃度梯度，其差值為9.94×10-6，居民區(qū)和山區(qū)也有明顯梯度，其差值為6.77×10-6［55］。

表4 2019 年3 月14 日飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of the flight experiments on March 14，2019

南信大團(tuán)隊(duì)參加了機(jī)載實(shí)驗(yàn)，并開展了一些工作。WANG 等［56］將飛行期間獲取的CO2垂直剖面與GEOS-chem 和Carbon Tracker 模式的剖面結(jié)果進(jìn)行比較，顯示出了良好的一致性。王勤等［57］在機(jī)載實(shí)驗(yàn)中采用脈沖積分法（PIM）計(jì)算激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的差分吸收光學(xué)厚度。計(jì)算了不同類型表面，包括山地、海洋和城市地區(qū)的XCO2平均干空氣混合比。根據(jù)海洋，山區(qū)和城市地區(qū)的激光雷達(dá)測(cè)量計(jì)算出的XCO2濃度分別為（421.11±1.24）×10-6、（427.67±0.58）×10-6、（432.04±0.74）×10-6，此外，通過對(duì)UGGA 數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，還研究了污染水平對(duì)CO2濃度的影響，同時(shí)對(duì)OCO-2 和Carbon Tracker 的剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。在2021 年7 月進(jìn)行了第2 次機(jī)載實(shí)驗(yàn)，對(duì)敦煌的沙漠地表進(jìn)行觀測(cè)。王勤等［58］將從ACDL 系統(tǒng)獲得的XCO2反演結(jié)果與OCO-2 反演結(jié)果、便攜式傅里葉變換光譜儀（EM27/SUN）測(cè)量結(jié)果以及使用機(jī)載超便攜溫室氣體分析儀（UGGA）和哥白尼大氣監(jiān)測(cè)服務(wù)（CAMS）模型測(cè)量得出的XCO2估計(jì)值進(jìn)行了比較。此外，對(duì)OCO-2 和CAMS 資料獲得的CO2垂直剖面與機(jī)載UGGA 測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較，兩者表現(xiàn)出了相似的垂直分布模式，還確定了大氣CO2濃度與氣溶膠光學(xué)厚度之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。

目前，各國(guó)對(duì)于適用于星載的差分激光吸收雷達(dá)研制和相應(yīng)的記載實(shí)驗(yàn)仍在不斷開展中。長(zhǎng)期的機(jī)載實(shí)驗(yàn)對(duì)儀器和算法的改進(jìn)提供了幫助和參考。同時(shí)，機(jī)載實(shí)驗(yàn)在各種地表類型下（陸地、海洋、冰面、沙漠），有云覆蓋和破碎云的情況下及晝夜都進(jìn)行探測(cè)。機(jī)載實(shí)驗(yàn)仍然需要繼續(xù)開展，對(duì)自然和人為的源匯的CO2通量需要準(zhǔn)確的測(cè)量。北極、城市、夏季農(nóng)田等CO2源匯的觀測(cè)對(duì)解決有關(guān)地表和大氣之間碳交換的局部和區(qū)域尺度問題非常重要。另外，將對(duì)被動(dòng)遙感衛(wèi)星的結(jié)果對(duì)比也可以作為一部分工作。然而，滿足星載探測(cè)任務(wù)仍然具有很大挑戰(zhàn)，首先由于更遠(yuǎn)的傳輸距離，通常大于400 km，這會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)的能量損失，衛(wèi)星軌道運(yùn)行速度更快導(dǎo)致反射率變化變大，表面光斑直徑較大；會(huì)受到發(fā)射振動(dòng)和CO2的太空的輻射環(huán)境，儀器技術(shù)和部件要保證3～5 a 的使用壽命。對(duì)于以上問題，可以通過提高激光功率和望遠(yuǎn)鏡的接受面積來增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，通常星載激光雷達(dá)的能量是機(jī)載時(shí)的10～100 倍。另外則是設(shè)計(jì)足夠堅(jiān)固的儀器結(jié)構(gòu)，根據(jù)星載探測(cè)的要求，進(jìn)行了許多星載CO2探測(cè)時(shí)的性能模擬，能夠保證測(cè)量精度在1×10-6以內(nèi)。目前，我國(guó)于今年4 月完成了大氣溫室監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的發(fā)射，這是全球第一顆基于主動(dòng)遙感的溫室氣體遙感衛(wèi)星，正處于在軌測(cè)試階段。

3 結(jié)束語

目前，被動(dòng)遙感的技術(shù)比較成熟，全球主要國(guó)家都具有被動(dòng)遙感全球的衛(wèi)星，基本能夠滿足1×10-6～2×10-6的精度，被動(dòng)遙感方法仍然是探測(cè)溫室氣體的主要方法，但是主動(dòng)遙感衛(wèi)星也不可缺少。近年來，主動(dòng)遙感衛(wèi)星的技術(shù)不斷發(fā)展，未來主被動(dòng)衛(wèi)星探測(cè)結(jié)合的方式能更加準(zhǔn)確的獲取大氣中CO2的濃度分布，同時(shí)對(duì)夜間、海洋、有云地區(qū)的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行補(bǔ)充。

機(jī)載實(shí)驗(yàn)仍然需要不斷開展，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅能夠?yàn)楹罄m(xù)的主動(dòng)遙感衛(wèi)星計(jì)劃提供了探測(cè)性能驗(yàn)證、載荷優(yōu)化和算法依據(jù)，還可以對(duì)后續(xù)的主動(dòng)儀器開發(fā)提供性能驗(yàn)證，從而不斷優(yōu)化CO2探測(cè)的結(jié)果。除了已經(jīng)發(fā)射的DQ-1 衛(wèi)星，下一代DQ-2 衛(wèi)星也已經(jīng)在研制中，將進(jìn)一步提升DQ-1 的探測(cè)精度。