引用格式：崔成玲，李国元，黄朝围等.国内外星载激光测高系统发展现状及趋势[C].中国测绘地理信息年会优秀青年论文，江西南昌,2015-10:288-295.
国内外星载激光测高系统发展现状及趋势
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崔成玲1,2，李国元2，黄朝围2,3，张重阳2,4，李慧蕊2
(1.中国矿业大学，江苏徐州221116；2.国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心，北京101300；
3.信息工程大学，河南郑州450000；
4.辽宁工程技术大学，辽宁阜新123000)
摘要：星载激光测高是一种主动遥感探测技术，具有精度高、速度快、大范围获
海底两万里心得取探测目标高度数据及其三维空间信息的优点，是对地球和行星探测不可或缺的手段。
该文在总结前人研究的基础上将已发射的和计划发射的星载激光测高仪进行梳理总结，将测高仪的发展归纳为三个阶段，并对三个阶段对应的测高仪发展情况进行总结与分析，最后预测了激光测高仪的发展趋势，对激光测高工作者研究空间激光器、极地冰原地形测量、森林参数反演及林业碳汇等提供参考。
关键词：摄影测量与遥感；星载激光测高；综述
1 引言
自1960年世界第一台红宝石激光器在美国诞生以来，光学的技术应用产生了深刻的变革，激光技术与其他学科技术的交叉，促进了其他领域的快速发展，激光测量技术便是极具代表性的一个交叉学科[1]。60年代激光器产生后激光测量技术飞速发展，激光雷达的概念开始被提出。随着空间激光器的成熟，美国率先将激光器搭载在探月飞船上，星载激光雷达开始由设想转为现实。1971-1972年间，美国登月计划中Apollo15、16和17号均搭载激光高度计，使用寿命较短的氙灯泵浦的机械调Q红宝石激光器[2]，是最早的激光测高系统，星载激光雷达技术开始起步。1994年至1997年间，美国航空航天局（NASA）开展了星载激光雷达探测任务，包括Clementine探月计划[3]、搭载MOLA（Mars Orbiter Lar Altimeter）的火星观测者计划[4]、SLA（Shuttle Lar Altimeter）对地观测实验[5]及搭载NLR （NEAR-Shoemaker lar rangefinder）的近地小行星探测[6]等，开始采用二极管泵浦全固态激光器（DPSLL，Diode Pump Solid State Lar）。DPSLL具有工作时间长、低功耗和体积小的特点，适合卫星载荷的工作要求，该阶段是星载激光测高仪的重要发展阶段。随着激光技术的发展，星载激光雷达技术趋于成熟，2003年到2009年间成功运行的激光测高系统：GLAS （Geosciences Lar Altimeter System）[7]、MLA（Mercury Lar Altimeter）[8]、CALIOP （Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Obrvation）[9] LALT（Lar Altimeter）[10]、LAM（Lar Altimeter）熟地黄的功效
[11]和LLRI（lunar lar ranging instrument）[12]等开始转向高重频、窄脉宽的主振荡放大结构，并开始采用多光束激光器，例如LOLA（Lunar orbiter Lar Altimeter）[13][14]，该阶段激光雷达的应用领域也得以拓展。未来星载激光雷达的发展方向将是高重频、多光束、推扫式、单光子探测模式，计划发射的ATLAS（Advanced Topographic Lar Altimeter System）[15]和LIST（Lidar Surface Topography）[17]等均采用多路激光并行发射和阵列接收模式，能够获取更高精度及更高分辨率的地形及植被信息，将把激光测高系统发展推向一个新的高度。本文分三个阶段分别介绍各星载激光测高系统的主要情况，总结并
展望星载激光雷达的发展趋势。
2 主要星载激光测高系统简介
从激光二极管泵浦的全固态激光器得以应用后，星载激光雷达在天体观测中发挥了重大作用。随着技术的进步，星载激光测高系统各参数指标也不断提升。各个时期激光测高系统的参数指标如附表1。
第一阶段
Clementine探月卫星的主要任务是测试长时间暴露在太空环境中的仪器性能及对月球和近地小行星1620进行科学观测，获取南北纬60度范围内的月球测高数据及确定小行星的大小、形状、表面特性等
统计资料。Clementine系统中的激光测距系统使用钕-钇铝石榴石雷射Nd-YAG（Neodymium—Yttrium Aluminum Garnet lar）发射脉冲到月球表面，反射脉冲经高分辨率望远镜被彩色滤光片分离进入硅雪崩光电二极管（SiAPD），通过测量脉冲的传输时间获得月球表面点与探测器的距离及绘制月球表面地形图。
中国文房四宝1996、1997年美国航空航天局NASA（National Aeronautics and Space Administration）利用MOLA的备份器件进行两次航飞试验，即SLA-01和SLA-02。SLA采用电子回波回收系统以捕获和表征地表结构在100米光斑内的垂直结构信息，最后利用其径向精密轨道信息和后续测量建立基于SLA的全球控制点数据库[18]。但是SLA采用普通计数技术进行距离测量，单个脉冲只探测一个距离回波，在有云天气便无法对空气和地面植被进行测量[19]。
火星轨道雷射测高仪MOLA搭载在火星全球勘探者号上，用于探测火星地貌及构建火星精确地形图。MOLA是第一个采用二极管泵浦全固态激光Nd:Y AG zig-zag板条固体激光器的激光高度计，同时采用交叉玻罗棱镜谐振腔和铌酸锂晶体电光调Q结构，可有效减少飞船发射时振动和冲击的影响，由此提供高分辨率地形图[20]。
NLR搭载在近地小行星交汇探测器NEAR（NEAR Earth Asteroid Rendezvous）上于1996年升空，是第一个进入小行星轨道的激光测高仪，运行一年多时间里一直持续工作[21]。NLR 是一种直接检测单
脉冲测距仪，使用半导体激光二极管泵浦的Nd:YAG晶体板条电光调Q 结构及偏振耦合的U型腔，谐振腔内添加小孔光阑进行限模，增加高阶模损耗以此提高输出激光的光束品质[20]。
20世纪90年代开始采用激光二极管泵浦的全固态激光器，具有寿命长、体积小、功耗低、质量轻等特点，满足当时星载激光器适应空间环境的需求，是激光测高系统的发展阶段。
第二阶段
GLAS（如图1）是第一个用于连续观测地球的激光系统，于2003年搭载在世界上首颗激光测高卫星冰、云和陆地高程卫星ICESat（Ice，Cloud and Land Elevation Satellite）上发射升空，主要任务是测量冰原质量平衡、监测云层和大气特性以及获取地形和植被信息。
图1 GLAS仪器
GLAS使用1064nm波段测量地形表面特征，532nm可见绿光波段测量气溶胶和其他大气特性。GLAS
上共计携带三台激光器，由于第一、二台激光器提前停止工作[22]，NASA将第三台激光器由不间断测量调整为91天精确重复轨道周期进行测量，成为激光器轮时值守
工作模式的开端，这样既提高了激光器的可靠性又延长寿命。GLAS采用的被动调Q方式与传统的主动电光调Q相比，结构更加简单，且避免了高压驱动源的使用；其MOPA（Master Oscillator Power Amplifier）结构在获得高能量输出的同时也使激光具有优异的光束品质，为后续空间激光器设计提供了框架参考，代表了当时空间激光器的发展方向[20]。
水星高度计MLA是水星表面形貌、空间环境、星体化学及测距计划MESSENGER （Mercury Surface，Space Environment，Geochemistry，and Ranging）的有效载荷，于2004年3月发射升空，目前仍在工作。MLA采用全铍材料且激光器采用掺铬钕钇铝石榴石(Nd-Cr:YAG)设计的被动调Q结构[7]，同时采用类似GLAS的MOPA思想，但是只经过单级放大[23]，振荡器从玻罗谐振腔改进为正交玻罗棱镜谐振腔[24]，保证了激光器在水星严酷环境中的可靠性。
福字对联BELA将运行在日本航天局JAXA和欧洲航天局ESA（European Space Agency)联合研制的MPO(Mercury Planetary Orbiter)轨道卫星上，预计于2016年发射，2024年到达水星，将成为继“信使号”之后第二个到达水星的探测器。BELA的目标是建立精确的水星参考表面，测量水星表面粗糙度、斜率和反射率等。其采用的激光器基本与MLA相同。
正交偏振云-气溶胶激光雷达CALIOP于2006年随CALIPSO（Cloud-Aerosols Lidar andInfrared Pathfinder Satellite Obrvations）卫星发射，一直持续工作到现在。CALIOP是一个双波长偏振敏感的激光雷达发射系统，采用两套相同的二极管泵浦Nd:Y AG主动调Q激光器发射1064nm和532nm两种波长信号进行探测。532nm波长主要用于区分云的冰相和水相，而两个信号的后向散射信号差主要用于区分气溶胶尺寸[25]。
日本首颗绕月卫星“月亮女神”SELENE（Selenological and Engineering Explorer）的测高仪LALT由天底方向对月球表面进行测量，通过分析月球重力和地形数据研究月球内部结构。SELENE激光器采用单玻罗全反射棱镜和平面耦合输出镜的谐振腔结构[26]，圆棒状Nd:Cr:Y AG晶体激光介质及LiNbO3主动电光调Q结构[27]，利用所获测高数据获得了空间分辨率优于0.5m的全月球地形图[28]。
2007年10月24日18时05分我国首颗探月卫星嫦娥一号CE-1（C hang’E-1）发射成功，中国成为世界上第五个发射月球探测器的国家和地区，实现对月球全球性与综合性的环绕探测。嫦娥一号激光高度计LAM（Lar Altimeter）是我国第一个星载激光高度计，其核心部件均为我国自行生产，LAM设备由探头和电路箱两部分组成，如图2所示：
图2 激光高度计LAM
LAM为单波长工作系统，激光器采用激光二极管泵浦、电光调Q的固体Nd:YAG激光器，利用玻罗棱镜改善激光器的失调灵敏度。为了增加探测灵敏度，探测器采用灵敏度极高的雪崩二极管[29]。在光学系统中还设计了窄带滤光片和中继光学镜组，以便减少太阳光直射和辐照对探测器的影响[10]。在轨运行一年中，激光高度计分阶段连续工作，共获取912万点有效数据，其中月球两极的高程数据填补了世界空白[30]。“嫦娥一号”与同期工作的日
本“月亮女神”相比各有千秋，“嫦娥一号”在有效载荷的轻量化、小型化、设计集成化、功能多样化等许多方面与“月亮女神”还存在明显差距[28]，但在分辨率和作用距离等主要技术指标中明显优于“月亮女神”[29]。
星那美月
月球激光测距仪LLRI是“月船1号”（Chandrayaan-1）上的有效载荷，主要目标是获取月球全球地形及对地形绘制摄像仪和超光谱成像仪的数据进行补充。月球激光测距仪测量时不采用断面或者扫描模式，而是向月球表面发射连续的光脉冲进行测量。2009年8月29日探测器突然与地面失去联系，说明印度的空间技术尚不成熟。
月球勘测轨道飞行器LRO（Lunar Reconnaissance Orbiter）上搭载的月球轨道激光测高仪LOLA是第一个空间多光束高度计系统，激光束通过衍射光学元件分散成5束，大大提高了测量效率，还可获得月球表面坡度信息[23]。LOLA继承GLAS、MLA和MOLA的技术优势，继续采用正交玻罗棱镜谐振腔及偏振耦合输出的Cr4+:YAG被动调Q结构，在GLAS 基础上首次设计包括备份在内的两个同样的谐振腔通过偏振耦合的方式保证输出[31][32]。
高分七号是中国计划于2017年发射的高分辨率空间立体测绘卫星，主要用于我国1:1万比例尺有控制点国土测绘任务。高分七号激光器使用双波束、长条带推扫工作模式及两线阵和激光联合探测体制[16]，如图3所示。两线阵相机获取高精度立体图像，激光测距获取高精度的测高数据，参与影像数据平差提高立体定位精度。预计同期发射的“陆地生态系统碳监测卫星”同样采用多波束推扫观测模式，主要用于获取全球植被高度和地形信息。
图3 高分七号示意图
该阶段的激光测高系统的各项技术尤其半导体泵浦的全固体激光器技术逐渐成熟，采用轮时值守、玻罗振腔结构，并由单光束模式向多光束模式发展，更好的适应了空间技术的要求，极大的促进了激光测高仪的发展。
第三阶段
ICESat-2（Ice，Cloud and Land Elevation Satellite-2）计划于2017年发射，用于搜集地球表面高度数据以测定冰原高度变化及海冰厚度并估计地表生物总量，空间覆盖面积将是ICESat的三倍以上[33]，为长期研究海冰变化及森林冠层覆盖提供科学支持。ICESat-2将搭载先进地形激光高度计ATLAS载荷，采用高重频、微脉冲、短脉宽、多光束、非扫描及单光子探测体制[34]。高达10kHz的重复频率大大提高了出水高度与海面高程的探测精度；微脉冲具有高帧频率、宽视场、高可靠性的特
点；~1ns的脉宽使表面高程探测精度在10cm左右[35]；多波束测量可一次性测量多个距离，大大缩短完成整个测绘任务的工作时间且6束激光脉冲分3组配对扫描将产生密集交叉采样，提高测量地形坡度和高程变化的能力；非扫描推帚式测量不但在空间上对探测目标全球扫描，还可以在时间上测量其变化；单光子探测可有效提高激光探测灵敏度，由于单光子探测器在532nm较为敏感且在1微米附近缺失可用波段[36]，ICESat-2仅用532nm波段进行探测，且每秒发射一万次；激光器脉冲能量从250-900mJ可调，可根据测量地形的需求进行调节，降低激光器系统负荷；ATLAS采用连续二极管泵浦主振荡激光放大器，为后续激光高度计设计提供参考价值，同时代表NASA
新一代空间激光高度计结构的发展趋势。ICESat-2的探测示意图如图4所示：前天英文
Lar Detectors
图4 多光束激光测量的示意图
丹麦曲奇饼干LIST计划是新一代激光测高研究计划，目标是快速高效、高精度地测量地球的地表模型。LIST预计运行在地球低轨道LEO（Low Earth Orbit）和太阳同步轨道SSO （Sun-Synchronous Orbit）上，通过持续观测一次性获取全球陆地、冰原和冰川地貌及植被结构，在特定的区域实现地形和植被结构变化探测以及全球地表5m空间分辨率和10cm垂直精度的地形测量[37]。LIST设计搭载10台主控振荡器的功率放大器MOPA，通过衍射光学元件DOE分为100束以实现1000束激光足印为5m的非扫描推帚式、微脉冲以及线性排布光子探测器阵列的新型激光雷达探测体制[19]，实现幅宽5km的探测（如图5所示），这样就大大缩短了完成整个地球表面测绘任务的时间。此外LIST采用具有准单光子探测能力的雪崩光电二极管，具有高灵敏度、低噪声、高量子效率和宽带宽等特点[38]。
图5 LIST多光束测量示意图
未来计划发射的激光测高系统将向着高重频、多光束、推扫式、单光子探测模式发展，
