儿童旅行国外星载激光雷达研究进展
郭商勇;胡雄;闫召爱;程永强;郭文杰
【摘 要】Space-borne lidar could provide us with high accurate data of global detection and play more and more important role in earth obrvation .The development of space-borne lidars in USA and Europe was introduced in brief .Working principle , detection system and detection results of geoscience lar altimeter system spaceborne lidar , cloud-aerosol lidar with orthogonal polaritation and atmospheric lar Doppler spaceborne lidar wind measurement were summarized in detail .The construction and materials of the receiving telescopes of the above 3 spaceborne lidars were analyzed .The study provides some reference for the rearch of space-borne lidars in China .%星载激光雷达可以获取全球的高精度地球探测数据，在对地观测中起到越来越重要的作用。介绍了美国和欧洲星载激光雷达的发展历程。从探测原理、探测系统和探测结果等方面分别对地球激光测高系统星载激光雷达、正交偏振云-气溶胶星载激光雷达以及大气激光多普勒测风星载激光雷达进行了详细介绍。并对3台星载激光雷达的接收望远镜的结构和材料进行了分析。可以为我国星载激光雷达的研究提供参考。
【期刊名称】《激光技术》
缝纫机怎么用【年(卷),期】2016(040)005
司马光【总页数】7页(P772-778)
【关键词】激光光学;星载激光雷达;遥测;大气探测
【作 者】郭商勇;胡雄;闫召爱;程永强;郭文杰
【作者单位】中国科学院国家空间科学中心，北京100190;中国科学院国家空间科学中心，北京100190;中国科学院国家空间科学中心，北京100190;中国科学院国家空间科学中心，北京100190;中国科学院国家空间科学中心，北京100190
【正文语种】中 文
【中图分类】TN958.98;P111.5
地球大气层是人类赖以生存的外部环境，与人类的生存和生活密切相关，长久以来人们一
直在努力研究地球大气及其变化对气候产生的影响。同时地球地理特征、海洋信息等也是影响地球大气及气候变化规律的重要因素。当研究大气的全球特征时，人们需要获取大范围甚至全球范围的地球大气信息，而这是地基探测设备所不能满足的。相对于地基设备的不可移动性及探测区域的单一性，星载设备的优势在于可以提供全球分布的探测数据，包括如沙漠、极地、海洋等人们无法到达的地区，而且直接从高空进行大气探测，还可免受低层大气的影响，从而获取高质量的探测结果。
自从前苏联于1957-10-04成功发射了世界上第1颗人造卫星以来，世界各国已发射了多种类型的卫星进行地球观测。星载激光雷达是20世纪60年代发展起来的一种高精度地球探测技术，它利用激光束进行探测，由于其波长较短，可以探测到气溶胶和大气分子等直径较小的微粒并获取其在大气层中的分布信息。到目前为止，已发射的多台星载激光雷达证明了其在地球观测中的独特优势[1-4]。早期的星载激光雷达多以测距为主，如美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)于1996年发射了NEAR和SLA01测距激光雷达[5-6]。得益于激光器技术和激光雷达探测技术的发展[7-9]，星载激光雷达逐渐探测更多的大气参量。2003-01-13，NASA发射了第1颗主要用于极地冰量测量的冰、云和陆地海拔测量卫星(ice,cloud and land elevation satellite,ICESat)，搭载了地球激
光测高系统(geoscience lar altimeter system,GLAS)，ICESat还可同时给出全球分布大气云层和地貌数据[10-11]。2006-04-28，NASA和法国国家航天中心(Centre National D’Etudes Space,CNES)合作研制的正交偏振云-气溶胶激光雷达(cloud-aerosol lidar with orthogonal polarization,CALIOP)成功发射，用以探测气溶胶和云的光学性质与形态的垂直分布廓线，成为世界上首台应用型的星载云-气溶胶激光雷达[12-13]。欧洲航天局(European Space Agency，ESA)在2000年开始实施大气激光多普勒测量设备(atmospheric lar Doppler instrument,ALADIN)项目，直接从太空探测全球大气的3维风场，目前激光发射系统和信号接收系统都已测试完毕，计划于2016年发射升空。我国于2007年发射的第1颗月球探测卫星“嫦娥一号”上搭载了1台激光高度计[14]，实现了卫星星下点月表地形高度数据的获取, 为月球表面3维影像的获取提供服务，是我国发射的首例实用型星载激光雷达。近年来,国内多家单位也开始进行星载激光雷达的研究[15-17]。
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本文中从探测原理、探测系统等方面分别对不同类型的星载激光雷达GLAS,CALIOP和ALADIN的发展史进行了详细介绍，并从材质和结构设计方面分析了星载望远镜系统的特点。
GLAS激光雷达采用双波长工作模式，波长分别为1064nm和532nm，专门用于测量极地冰量，同时探测全球分布的地貌和大气云层数据[18-19]。设备运行于600km的近圆形轨道，轨道周期为8d。2009年10月，卫星上的最后一台激光器停止工作，NASA于2010年2月宣布ICEsat科学任务结束。
1.1 探测原理
GLAS激光雷达发射的1064nm激光束用于地形测量，1064nm和532nm激光共同用于云和气溶胶等大气特性测量。高度探测的原理是通过测量自激光脉冲发射至接收到地面回波信号的时间间隔T，计算光在该时间间隔内所经过距离的一半，即为探测器设备至地面的距离H，距离计算如下：
式中，c为真空中光速。探测器在空中的位置可由携带的全球定位系统(global positioning system,GPS)设备精准定位，同时配合星载相机和陀螺仪等设备，激光束的方向也可精确确定，这样激光束在地面上的投射点便可精确定位，激光束所经之处的地形图也就绘制出来了。GLAS的探测精度极高，在大气透过率大于50%、地面坡度小于5°的情况下，其高度测量误差小于0.1m。
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1.2 探测系统
GLAS的激光发射系统拥有3台相同的半导体抽运Nd∶YAG激光器，工作状态下只使用其中一台，另外两台作为备用以延长激光雷达系统的使用寿命。为获取较高的峰值能量，激光器采用调Q技术，将脉宽压缩至4ns，系统参量见表1。
GLAS有两个信号检测通道，532nm检测通道中使用了一个带宽为30pm的标准具和一个带宽326pm的干涉滤光片组成了滤波系统，即使在白天也可以获得高信噪比的信号。该滤波系统的总带宽可在标准具的自由光谱范围内调节，以兼容3台不同激光器波长的微小差异及工作状态下每台激光器波长的微小变化，1064nm检测通道则使用了一个1nm宽的滤光片。图1为GLAS的结构示意图，其中-Z指向与测地学天底方向偏离0.3°(垂直于地球椭球)；为使太阳充分照射电池板，ICESat有两种飞行模式，X轴为飞机模式下的速度方向，Y轴为帆船模式下的速度方向[20]。
1.3 探测结果
在长达7年左右的运行周期中，GLAS共开展了15次观测任务，每次持续33d，主要进行冰
盖高程测量、海冰厚度测量等，精确测量冰盖的扩张和收缩，同时评估冰盖物质平衡和对海平面上升的贡献，以及导致冰盖消长的积累率、表面消融和排冰量等因素的变化情况。此外，GLAS还可用于测量植被高度和陆地生物量，以及应用于其它多个交叉学科。图2为GLAS激光雷达探测到的格陵兰岛冰层和冰流在2003年～2009年这6年间变化情况。
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欢快的儿歌CALIOP星载正交偏振双波长激光雷达用于探测全球范围的气溶胶和云层垂直剖面及其光学特性[21-22]，增加人们对云、气溶胶及其相互作用的认识，提高数值天气预报能力和对气候的研究能力。云-气溶胶激光雷达和红外探测(cloud-aerosol lidar and infrared pathfinder satellite obrvations,CALIPSO)卫星属太阳同步极轨卫星，轨道高度705km，轨道倾角98.2°，探测范围82°N至82°S，水平分辨率333m，垂直分辨率60m，轨道重复周期16d,在轨工作时间8年。
2.1 探测原理
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CALIOP利用1064nm和532nm的线偏振激光束激发大气回波信号，根据微粒对线偏振激光的散射理论[23]，后向散射信号中包含平行分量和垂直分量两部分，回波功率的激光雷达方程如下：
定义回波信号的退偏振比，见下式:
对于随机取向的卷云和大气气溶胶粒子，可以认为消光系数αp(z)=αs(z),令K为两个偏振通道的系统常数比，即K=Kp/Ks,则(4)式可以写成如下形式:
将各高度z处的平行分量Pp(z)和垂直分量Ps(z)以及系数K代入(5)式,即可计算出大气退偏振比的垂直廓线δ(z)。
计算大气退偏振比可以判断大气微粒的形状，一般的气溶胶、云或水云中的小水滴都为球形,散射信号的垂直分量较小，退偏振比较低；而冰云中的冰晶和沙尘气溶胶一般为非球形，散射信号中的垂直分量较大，退偏振比较高(一般大于10%)。通过比较CALIOP获取的532nm回波信号的退偏振比，可以判断不同高度上分布的微粒形状，将沙尘气溶胶与一般性气溶胶区分开来。由散射理论，微粒对光的散射强度与微粒直径有关，直径大的颗粒，如沙尘、水云微粒(直径是10μm量级),其散射强度对波长的依赖性关系较小，两波长回波信号强度之比可接近于1；而直径较小的颗粒，如大气气溶胶，对短波长光的散射强度要大于长波长，两个波长的回波信号比就较小。通过比较CALIOP获取的同一高度处微粒对两个不同激光波长的散射强度，可以推断出该高度粒子的类型。
2.2 探测系统
CALIOP激光雷达的发射系统配备了两台完全相同的半导体抽运Nd∶YAG激光器，工作状态下只使用其中一台激光器。两台激光器分别安装在充满干燥气体的密封空间内，内部压强一个标准大气压，为保证激光器的工作稳定，每台Nd∶YAG激光器均由192个二极管阵列进行抽运, 具体系统参量见表1。
CALIOP的接收系统由一台1m口径的接收望远镜和3个信号检测通道组成：一个1064nm信号检测通道和两个正交偏振的532nm信号检测通道。望远镜主焦点处安装了视场光阑，可将望远镜的视场限制在130μrad，既完全覆盖激光束100μrad的发散角，又可减少背景杂散光的接收。接收系统的后续光路还包括准直和分光光路，将532nm和1064nm的回波信号分开。其中反射光为532nm信号，经窄带标准具去除太阳背景噪声后,由偏振分光器分为532nm平行光和532nm垂直光。1064nm信号从分光镜透射出去，经干涉滤光片去除背景噪声后由探测器直接接收。每个信号检测通道中都安装了双重数字转换器，可以提供22bit的动态检测范围，保证云和分子散射信号都可被接收。CALIOP光路示意图如图3所示。图4为CALIPSO卫星载荷示意图。
2.3 探测结果
CALIOP星载激光雷达获取了大量的数据，在全球云和气溶胶研究中起到了重要的作用。图5为2006-06-09的探测结果，探测路线从北欧向南穿越非洲直到大西洋。可以看出，3幅图中间区域的10km～20km高度处回波信号都非常强，且与波段和偏振状态关系不大，根据其高度和散射信号特点，可判断该区域存在卷云。在卷云左侧的一片区域，3幅图中都有较强的回波信号，1064nm波长的信号稍弱于532nm回波信号，表明该区域为形状不规则的沙尘气溶胶微粒。图5a和图5c中卷云右边5km高度处都有回波信号，而图5b中看不到散射信号，表明该区域存在较强的气溶胶。
ALADIN星载多普勒激光雷达是ESA目前正在开展的地球大气观测项目(atmospheric dynamics mission aeolus,ADM-Aeolus)的主要载荷，用于直接探测全球分布的对流层和平流层底大气风场垂直剖面，以弥补目前此类数据在海洋和极地等地区较少的不足。ALADIN激光雷达计划运行于400km高度的太阳同步轨道上，重复周期为7d，一个周期内围绕地球运行109圈。探测数据可直接用于地球的能量输送研究，为更精准的数值天气预报和大气研究服务[24-25]。ALADIN同时还可以提供大气后向散射的高度廓线及大气消光
系数，用于云和气溶胶研究。目前激光器已与发射系统已完成联合测试，计划于2016年发射。
