空間主動光電遙感現(xiàn)狀及發(fā)展

舒 嶸，孔 偉

(1.中國科學院空間主動光電技術(shù)重點實驗室，上海 200083； 2.中國科學院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083)

0 引言

空間主動光電遙感是指在開展空間活動過程中，光源向被探測目標主動發(fā)射具有一定能量和光譜特征的光束(一般為激光)，通過測量目標散射回波的強度、偏振態(tài)、光譜等特征，獲取被測目標距離、成分等信息的技術(shù)。

空間主動光電遙感技術(shù)可實現(xiàn)微波或者光學被動探測載荷所不具備的距離分辨能力；不需要太陽或者自然界其他光源對目標進行照射，即可實現(xiàn)全天時的遙感探測；空間主動光電遙感探測的輻射傳輸模型簡單，引入的誤差較小。相比微波主動探測，主動光電遙感的優(yōu)勢有：1)載荷的工作波長更短，激光波束更窄，可獲得更精細的地形信息；2)大氣對光學波段電磁波的散射更強，可在光學波段開展大氣廓線的探測；3)利用可穿透水體波段開展對地觀測，可獲取淺灘地形和淺表層水體浮游生物垂直分布信息。因此發(fā)展空間主動光電遙感技術(shù)對高精度三維地形探測，高垂直分辨率大氣參數(shù)廓線探測，以及海底地形、淺表層浮游生物垂直分布探測具有非常重要的意義。

本文對國內(nèi)外空間主動光電載荷的發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)特點進行了描述，分析了空間主動光電遙感載荷的發(fā)展趨勢，對我國空間主動光電遙感技術(shù)的發(fā)展提出了建議。

1 國外發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)特點

自1960年MAIMAN發(fā)明激光器以及1962年MCCLUNG和HELLWARTH發(fā)明調(diào)Q脈沖激光器后[1-2]，主動光電遙感被應用于地形、大氣、海洋等領域的探測中。1971年，隨著阿波羅15號的升空，主動光電遙感載荷在空間中的應用得以實現(xiàn)，利用搭載在指令艙內(nèi)的紅寶石脈沖激光器，阿波羅15～17號開展了多次繞月激光測距工作[3-5]，但受限于當時激光器技術(shù)的水平，探測效率極低，3次任務僅累積了幾千次月表高程測量數(shù)據(jù)。20世紀90年代，隨著脈沖激光技術(shù)的進步，特別是半導體泵浦脈沖激光器的發(fā)展解決了激光器質(zhì)量、壽命和探測效率的問題，空間主動光電遙感載荷才開始真正得到發(fā)展。

表1列出了1971—2018年國內(nèi)外主要空間主動光電載荷的發(fā)展歷史。按照探測內(nèi)容，空間主動光電載荷分為高程探測載荷和大氣探測載荷。前者可準確測量被測星體表面的散射脈沖與發(fā)射脈沖的時間差，獲取星體表面形貌信息；后者可測量大氣和地表散射信號的強度、光譜、偏振態(tài)等特征，獲取大氣不同參數(shù)(如氣溶膠、云和風場)隨高度的變化特征，或者特定氣體的柱濃度區(qū)域分布特征。

表1 1971—2018年國內(nèi)外空間主動光電載荷發(fā)展歷史

1.1 高程探測載荷

截至2018年，國外已經(jīng)成功實施了多個空間激光測高載荷，如美國冰、云、陸地高程衛(wèi)星(ICESat)上搭載的地球科學激光測高系統(tǒng)(GLAS)[6]，美國月球勘測軌道飛行器(LRO)上搭載的月球軌道激光測高儀(LOLA)[7]，美國冰、云、陸地高程衛(wèi)星2號(ICESat-2)上搭載的先進地形激光測高系統(tǒng)(ATLAS)[8-9]。

1.1.1 地球科學激光測高系統(tǒng)

ICESat是NASA于20世紀80年代制定的地球觀測系統(tǒng)(EOS)計劃中的一部分，它于2003年1月13日發(fā)射升空，其軌道高度約為600 km。圖1展示了ICESat的空間效果圖。該衛(wèi)星的任務包括：1)測量地球兩極的冰蓋總量，研究冰蓋總量對海平面變化的影響；2)測量云和氣溶膠的分布和垂直結(jié)構(gòu)，其中云參數(shù)的觀測包括多層云的高度、云頂和云底高度、散射截面的垂直廓線、薄云的光學厚度等；3)測量冰面(如格陵蘭和南極冰層)、陸地地形和植被的冠蓋高度，了解表面粗糙度、反射率、植被高度和冰雪面的特征。這些任務主要由ICESat搭載的GLAS完成，它是世界上第1個可長期連續(xù)在地球軌道運行的激光高度計。

GLAS配備3臺(1主2備)相同的二極管泵浦調(diào)QNd∶YAG激光器，每臺激光器均同時輸出基頻和2倍頻光，單脈沖能量分別為75 mJ(波長為1 064 nm)和32 mJ(波長為532 nm)。GLAS利用1 064 nm激光開展陸地高程探測，采用全波形方案獲取植被垂直分層信息，利用532 nm激光開展氣溶膠、云垂直分布廓線的探測?；诟呔燃す庵赶驕y量技術(shù)，GLAS可保證冰面坡度小于3°時測距精度優(yōu)于10 cm。

圖1 ICESat衛(wèi)星Fig.1 Satellite of ICESat

由于技術(shù)原因，ICESat發(fā)射36 d后，GLAS載荷的1臺激光器發(fā)生故障，無法輸出激光，而另外2臺激光器的2倍頻激光能量也快速衰減，故原定的大氣探測計劃無法完成，GLAS不得不調(diào)整計劃，每年只開展3次觀測，每次觀測時間持續(xù)30～50 d，圖2展示了1個觀測周期內(nèi)ICESat的南北極高程探測結(jié)果。隨著2009年10月GLAS最后1臺激光器停止發(fā)光，ICESat衛(wèi)星不再開展激光對地測距探測，衛(wèi)星也于2010年2月結(jié)束其全部任務。

圖2 ICESat 1個觀測周期內(nèi)的典型南北極探測結(jié)果Fig.2 Typical results at north and south poles obtained in one observation period of ICESat

1.1.2 月球軌道激光測高儀

2009年6月18日，美國發(fā)射的月球勘測軌道飛行器(LRO)上搭載了1臺LOLA[7]，LOLA同樣以Nd∶YAG激光器作為光源，采用5波束發(fā)射，極大提高了數(shù)據(jù)獲取率及水平分辨率。圖3展示了LOLA的系統(tǒng)構(gòu)成、實現(xiàn)5波束分光的衍射光學元件(DOE)和遠場光斑分布。DOE是實現(xiàn)自由空間多波束激光發(fā)射的核心器件，LOLA中的DOE將1束激光按能量等分為5束，在焦平面上安裝5個探測器，對這5個波束回波進行同時探測，這樣不僅可獲得更密的測量數(shù)據(jù)，還能獲取月表斜率、粗糙度等信息。圖4展示了LOLA載荷測得的月表高程、斜率、粗糙度的全月面分布，不同的信息代表不同的月面特征，LOLA獲得了迄今為止最高密度測量數(shù)據(jù)構(gòu)成的月面三維地形圖。

圖3 LOLA系統(tǒng)組成、核心DOE及月面光斑分布示意圖Fig.3 System composition of LOLA, key DOE and light spot distribution on lunar surface

圖4 月球勘測軌道(LRA)衛(wèi)星上搭載的LOLA測得的不同參數(shù)分布圖Fig.4 Distributions of different parameters obtained by LOLA aboard on LRA satellite

1.1.3 先進地形激光測高系統(tǒng)

ATLAS是搭載在ICESat-2衛(wèi)星上的激光測高載荷。ICESat-2衛(wèi)星于2018年9月發(fā)射升空，軌道高度為500 km，首次利用光子計數(shù)體制開展地形探測，考慮到更成熟的單光子探測器的工作波段，ATLAS工作于Nd∶YAG激光器的2倍頻(532 nm)，重復頻率也提高到10 kHz，可進行連續(xù)的星下足印測量，實現(xiàn)對高密度地形、植被、樹冠高度等信息的探測[8, 10]。

由于采用光子計數(shù)體制，激光器的單脈沖能量僅為40～170 μJ，在同樣的系統(tǒng)功耗下，載荷設計了6個波束(見圖5)，激光重復頻率高達10 kHz，足印間距僅為0.7 m，故可實現(xiàn)星下6個條帶的連續(xù)探測。ATLAS的6個波束中，3個波束能量較強，其他3個波束能量較弱，兩者的能量比約為4∶1，如此設計可適應不同反射率目標的測量，減小由單次回波光子數(shù)過多導致的地表反射率反演失真。ICESat-2衛(wèi)星激光載荷地面激光足印分布如圖6所示。

圖5 ICESat-2衛(wèi)星對地觀測效果圖Fig.5 Earth observation rendering of ICESat-2 satellite

圖6 ICESat-2衛(wèi)星激光載荷地面激光足印分布Fig.6 Ground laser footprint distribution oflaser payload on ICESat-2

ATLAS所采用的532 nm波段還具備水體穿透能力，能測量水下地形變化，圖7展示了典型的ATLAS單光子點云數(shù)據(jù)，該結(jié)果清楚地展示了陸地、海面和淺灘水底的三維結(jié)構(gòu)，還展現(xiàn)了森林植被的垂直分布和海洋波浪的形態(tài)特征。

圖7 ATLAS的典型單光子點云數(shù)據(jù)Fig.7 Typical single photon point cloud data of ATLAS

1.2 大氣探測載荷

相比激光高程探測載荷，目前已經(jīng)成功實施的大氣探測空間主動光電遙感載荷較少，主要有空間激光雷達試驗(LITE)大氣探測載荷[11]，云-氣溶膠激光雷達與紅外探路者(CALIPSO)衛(wèi)星上搭載的云，氣溶膠偏振激光雷達(CALIOP)載荷[12]，安裝在國際空間站的云、氣溶膠輸運系統(tǒng)(CATS)探測載荷[13]，“風神號”上搭載的大氣激光多普勒載荷[14]。

1.2.1 空間激光雷達試驗

LITE計劃是美國開展的1次航天飛機搭載的空間激光探測試驗[11]。LITE大氣探測載荷于1994年搭載在“挑戰(zhàn)者號”航天飛機上升空(見圖8)，主要應用于大氣氣溶膠、云層垂直分布的探測，軌道高度定為260 km，載荷主要由1臺直徑為1.0 m的望遠鏡和2臺Nd∶YAG激光器組成，激光器以10 Hz的重復頻率同時發(fā)射1 064，532，355 nm激光，3個波長的總單脈沖能量超過1 100 mJ，LITE載荷的垂直分辨率為35 m，9 d的任務中共采集了10 h的數(shù)據(jù)，這為后續(xù)激光大氣探測載荷的研制提供了豐富的觀測數(shù)據(jù)。圖9為該載荷觀測到的典型云、氣溶膠垂直分布變化結(jié)果，該載荷還首次在太空觀測到臺風中心云系的垂直結(jié)構(gòu)變化[15]。

圖8 安裝在“挑戰(zhàn)者號”航天飛機上的LITE空間激光雷達試驗載荷Fig.8 LITE space lidar experiment payloadaboard on Challenger Space Shutter

圖9 LITE載荷532 nm波段的典型觀測結(jié)果Fig.9 Typical observation results at 532 nm obtained by LITE payload

1.2.2 云、氣溶膠偏振激光雷達

CALIOP于2006年發(fā)射，是NASA云-氣溶膠激光雷達與CALIPSO衛(wèi)星上的激光大氣探測載荷(見圖10)[12]，它采用雙波長偏振測量機制，實現(xiàn)了云和氣溶膠垂直分布特征的探測，是世界上首個在地球軌道上開展連續(xù)大氣激光觀測的衛(wèi)星。CALIOP工作于Nd∶YAG激光器的基頻(1 064 nm)和倍頻(532 nm)波段，532 nm激光的偏振純度高達1 000∶1，同時接收1 064 nm彈性散射和532 nm垂直、平行偏振信號，可對氣溶膠和云進行分類識別，區(qū)分城市氣溶膠和沙塵氣溶膠以及云中粒子的類型(液態(tài)水滴或冰晶粒子)。該衛(wèi)星從2006年開始采集數(shù)據(jù)，預期壽命為3a，但至今仍處于在軌工作狀態(tài)，從工作至今已經(jīng)獲得了很多有價值的研究成果，例如：基于CALIOP的觀測數(shù)據(jù)，研究人員對世界各地主要沙漠的沙塵氣溶膠在輸送路徑上的分布及沉降特征[16]進行了研究，獲得了較粗網(wǎng)格內(nèi)全球范圍大氣氣溶膠和云的三維分布結(jié)果[17-18]，并對火山爆發(fā)事件向平流層注入氣溶膠的過程[19]，以及氣溶膠和云的相互作用機制[20]有了更深的了解。利用CALIOP探測數(shù)據(jù)，人類首次觀測到了沙塵氣溶膠隨風場遷徙的三維結(jié)構(gòu)。圖11展示了CALIOP觀測到的撒哈拉沙漠沙塵隨大氣環(huán)流輸運至北美洲的結(jié)果[21]，CALIPSO首次清晰地呈現(xiàn)了沙塵氣溶膠長距離輸運過程中的垂直結(jié)構(gòu)變化。

圖10 CALIPSO上的有效載荷Fig.10 Payload at CALIPSO

圖11 CALIPSO追蹤到的撒哈拉沙漠沙塵 氣溶膠漂移至北美洲的三維結(jié)構(gòu)Fig.11 Three-dimensional structure of dust aerosol transported from Sahara desert to thenorth America traced by CALIPSO

1.2.3 云-氣溶膠運輸系統(tǒng)

CATS探測載荷是1個氣溶膠/云探測載荷(見圖12)[13]，2015年由NASA發(fā)射至國際空間站，其重復頻率高達5 kHz。CATS可發(fā)射1 064，532，355 nm激光，重復頻率提高后，單脈沖能量低至2～3 mJ，使得大氣的回波光子計數(shù)率降低到MHz量級或更低，故可采用單光子測量技術(shù)進行回波采集，以提高探測靈敏度。當CATS工作在模式2和3時，激光器以單頻輸出，這時可開展高光譜分辨率激光雷達探測試驗，提高氣溶膠/云的定量遙感精度；當CATS工作在模式1時，可同時輸出2個波束的激光，從而提高探測密度與測量效率。CATS激光束的發(fā)散角僅約為36 μrad，望遠鏡口徑為600 mm，這種情況下可保證系統(tǒng)工作于向陽側(cè)時總信號低于飽和光子計數(shù)率。類似于LITE計劃，CATS是NASA用于驗證下一代星載大氣探測激光雷達的驗證系統(tǒng)，其預期在軌工作時間為3個月，實際服役時間為3 a。

圖12 CATS載荷實物圖Fig.12 Physical map of CATS payload

1.2.4 大氣激光多普勒載荷

風場的全球尺度觀測是目前氣象衛(wèi)星載荷急需解決的難題，在經(jīng)歷多次延期后，歐洲太空局(ESA)于2018年將全球首顆大氣風場探測衛(wèi)星ADM-Aeolus(atmospheric dynamics mission Aeolus)發(fā)射升空[22]，大氣激光多普勒載荷(ALADIN)是該衛(wèi)星的主載荷，其工作于Nd:YAG激光器的3倍頻(355 nm)，激光器以單頻輸出，其中心波長與回波模塊中的高光譜分辨率鑒頻器精確匹配。由于技術(shù)實現(xiàn)難度太大，ADM-Aeolus的軌道高度最終降低至約320 km，以提高激光載荷的信噪比，且原本同時測量經(jīng)向和緯向2個方向風場的計劃，被壓縮至僅開展1個方向的風場探測。

ALADIN的激光單脈沖能量為120 mJ，重復頻率為100 Hz，這是迄今為止開展空間觀測的最大能量紫外脈沖激光器，采用直徑為1.5 m的望遠鏡，這也是迄今為止最大的空間對地觀測望遠鏡，即便如此，衛(wèi)星軌道仍然降低至約320 km，以提高測量信噪比，這導致衛(wèi)星需要額外攜帶266 kg燃料以維持軌道。ALADIN同時采用Mie散射和Rayleigh散射測風技術(shù)，可適應氣溶膠散射強區(qū)域(如大氣邊界層、云層)和純分子散射信號區(qū)域(自由大氣氣溶膠較少的區(qū)域)的測量，實現(xiàn)近地面到20 km的全覆蓋，高度越高，其垂直分辨率越低。

圖13展示了ADM-Aeolus衛(wèi)星的觀測方式，衛(wèi)星指向與天底方向成大約35°，光束在地面的投影與緯線平行，可測量緯向風場變化。圖14展示了ADM-Aeolus衛(wèi)星1個完整軌道的緯向風場觀測結(jié)果，該圖清楚地展示了極渦和亞熱帶急流的結(jié)構(gòu)和垂直分布，這是以前衛(wèi)星無法做到的。

圖13 ADM-Aeolus衛(wèi)星對地觀測方式Fig.13 Diagram of earth observation of ADM-Aeolus satellite

圖14 ADM-Aeolus衛(wèi)星一次典型緯向風探測結(jié)果Fig.14 Detection results of typical zonal windobtained by ADM-Aeolus satellite

1.3 國外發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)特點總結(jié)

表2列出了前面介紹的典型高程探測和大氣探測載荷的技術(shù)指標。由表可見，這些載荷具有如下特點：

1)目前絕大多數(shù)空間主動光電載荷聚焦于氣溶膠和云垂直分布、星體表面高程的探測，只有2018年發(fā)射的ADM-Aeolus水平風場探測試驗衛(wèi)星例外[14]。這種直接探測純彈性散射信號的方式存在一些問題：如用于探測大氣云和氣溶膠分布時，數(shù)據(jù)反演依賴于很多假設，定量化精度偏低；三維地形探測載荷多采用線性探測體制對回波進行量化，這種技術(shù)對單波束的能量要求較高，激光重復頻率一般不會設計太高，波束數(shù)一般不會太多，很難實現(xiàn)星下軌跡的連續(xù)探測。

2)目前絕大多數(shù)空間主動光電載荷將無種子注入的Nd∶YAG激光器作為光源，發(fā)射波長為該激光器的基頻、2倍頻和3倍頻，這主要因為此激光器技術(shù)較為成熟，探測器性能較好。2015年發(fā)射至國際空間站的CATS載荷和2018年發(fā)射升空的ADM-Aeolus衛(wèi)星[13-14]，激光器具備單頻輸出能力，開展了高定量精度的氣溶膠分布和緯向風場探測。

3)國外空間主動光電載荷的波束數(shù)逐漸增多，但仍然停留在少波束量級，尚未實現(xiàn)與被動空間載荷類似的百波束至千波束探測。這主要是受限于目前激光器電-光轉(zhuǎn)換效率仍未得到突破，衛(wèi)星平臺無法滿足超大功率激光器的散熱需求。但對于地形探測領域，單光子探測技術(shù)的發(fā)展減小了載荷對單脈沖能量的需求，通過大幅度提高激光重復頻率(如將ATLAS的重復頻率提高至10 kHz)，極大提高了星下點的探測密度。

表2 國外部分空間主動光電遙感載荷主要技術(shù)指標

2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)特點

2.1 國內(nèi)空間主動光電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及工程應用

國內(nèi)對空間主動光電遙感探測載荷方面的研究起步較晚，但是也開展了很多卓有成效的工作，包括嫦娥一～四號上搭載的激光高度計(2007—2018年)、嫦娥三/四號上搭載的激光三維成像敏感器(2013/2018年)、資源三號02星上搭載的激光測高儀(2016年)和高分七號立體測繪衛(wèi)星上搭載的激光高度計(預計2019年發(fā)射)。

2.1.1 嫦娥一/二號搭載的激光高度計

嫦娥一/二號上均搭載了1臺激光高度計[23-24]，這2個載荷均由中國科學院上海技術(shù)物理研究所研制，2臺激光高度計的參數(shù)相當，均工作于Nd∶YAG激光器的基頻光(波長1 064 nm)，激光單脈沖能量為150 mJ，激光經(jīng)擴束后，月面光斑直徑為600 m。嫦娥一號上搭載的激光高度計的重復頻率為1 Hz，嫦娥二號激光高度計調(diào)整至5 Hz，月面回波由直徑為134 mm的望遠鏡接收，經(jīng)窄帶濾光片后匯聚到硅基雪崩光電二極管上。圖15為嫦娥一號衛(wèi)星激光管高度計的實物圖。嫦娥一/二號上搭載的激光高度計均具備以5 m精度(3σ置信度)探測月球表面高程的能力。利用嫦娥一/二號上搭載的激光高度計的數(shù)據(jù)，我國首次獲得了月球表面高精度的數(shù)字高程模型(DEM)圖(見圖16)，為后續(xù)嫦娥系列著陸器的選址提供了基本數(shù)據(jù)。

圖15 嫦娥一號衛(wèi)星搭載的激光高度計Fig.15 Laser altimetry aboard on Chang’e-1 lunar satellite

圖16 嫦娥一號激光高度計探測的全月面DEM圖Fig.16 Observed lunar DEM map by laser altimetryaboard on Chang’e-1 lunar satellite

2.1.2 嫦娥三/四號搭載的激光三維成像敏感器

為實現(xiàn)嫦娥三/四號著陸器的軟著陸[25]，著陸器上安裝了激光三維成像敏感器。當著陸器懸停在月面100 m高度時，該載荷可對下方三維地形進行精確探測，指導著陸器規(guī)避障礙并準確著陸在平坦區(qū)域。該載荷由中國科學院上海技術(shù)物理研究所研制，采用16波束并行掃描的方式，實現(xiàn)4 幀/s的三維地形掃描，激光器單波束的能量為5 μJ，激光重復頻率為50 kHz，接收系統(tǒng)直徑為33 mm，載荷的3σ測距精度優(yōu)于0.15 m，平面分辨率為0.2 m，掃描視場達到33°×29°，該載荷成功保障了嫦娥三/四號月面軟著陸任務的順利實施。圖17為嫦娥三號軟著陸最后階段探測到的著陸點下方三維地形圖。由圖可以看出，最終著陸點選擇在圖中所示的相對平坦區(qū)。

圖17 嫦娥三號月面軟著陸過程懸停階段激 光三維成像敏感器測量結(jié)果及著陸點Fig.17 Observation results by laser 3D imagingsensor and landing point duringChang’e-3 lunar soft landing stage

2.1.3 資源三號02星搭載的激光測高載荷

資源三號02星上搭載了我國首個對地激光測高試驗載荷[26-28]，該載荷由北京空間機電研究所研制[29]，采用Nd∶YAG激光器作為激光源，工作波長為1 064 nm，脈沖寬度為6.5 ns，激光重復頻率為2 Hz，激光單脈沖能量為175 mJ，載荷有效接收孔徑為210 mm，衛(wèi)星軌道高度為505 km。經(jīng)在軌檢校后，在坡度小于2°的情況下，資源三號02星搭載的激光測高載荷的高程精度優(yōu)于1.0 m，平面精度優(yōu)于15 m[26]。

2.1.4 高分七號衛(wèi)星搭載的激光測高載荷

高分七號衛(wèi)星是我國第一顆激光立體測繪衛(wèi)星，其搭載的激光測高載荷由中國科學院上海技術(shù)物理研究所研制，它利用2波束激光測距技術(shù)，為立體相機提供高程控制點。圖18展示了高分七號衛(wèi)星搭載的有效載荷的整體結(jié)構(gòu)，該載荷的激光器由4臺Nd:YAG激光器組成，任意時刻均有2臺激光器同時工作，向2個方向發(fā)射激光，2束激光在地面的足印間距為12 km，激光重復頻率為6 Hz，單脈沖能量為180 mJ，采用0.6 m的望遠鏡接收回波信號。圖19展示了該載荷地面足印的分布。與國內(nèi)之前激光測高載荷不同的是，高分七號衛(wèi)星搭載的激光測高儀采用采樣速率為2 GSa/s的高速采集儀對回波進行量化，全波形數(shù)據(jù)有助于分辨樹冠和地面，可測量樹高，為森林植被考察提供數(shù)據(jù)。高分七號衛(wèi)星將為我國開展全球范圍1∶10 000比例尺測繪工作提供技術(shù)支撐。

圖18 高分七號衛(wèi)星有效載荷Fig.18 Payload of GF-7 satellite

圖19 高分七號衛(wèi)星激光足印分布示意圖Fig.19 Laser footprint distribution diagram of GF-7 satellite

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)特點總結(jié)

從2007年嫦娥一號搭載的激光高度計成功開展月球三維地形探測至今，我國的空間主動光電載荷僅應用于激光對月和對地的三維高程探測，尚未實施對大氣、海洋的空間主動光電探測研究，與國外相比還存在較大的差距。但在國家有關(guān)部門的支持下，部分研究機構(gòu)已經(jīng)開始開展針對大氣、海洋等領域的空間主動光電遙感探測技術(shù)研究。例如：中國科學院上海光學精密機械研究所開展了基于1.57 μm脈沖激光器的空間對地二氧化碳濃度全球分布的載荷研制[30]；中國海洋大學啟動了“觀瀾號”海洋科學衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)研究，該衛(wèi)星擬搭載1臺工作于480 nm的海洋探測激光雷達，可應用于海洋淺表層浮游生物垂直分布探測；基于光子計數(shù)三維地形探測技術(shù)，中國科學院上海技術(shù)物理研究所成功開展了51波束的機載探測研究?？傊覈言诳臻g對地和對月少波束激光高程測量領域有所建樹，但在單光子探測和大氣海洋探測領域仍處于載荷研究階段。

3 空間主動光電遙感技術(shù)發(fā)展趨勢

空間主動光電遙感技術(shù)以其在距離、角度分辨率和光譜探測能力等方面的優(yōu)勢，仍會繼續(xù)得到廣泛應用。在地形探測領域，更高的分辨率和探測效率將是未來載荷的發(fā)展方向；在大氣和海洋探測領域，需要發(fā)展新的探測手段，以獲取更豐富、更精準的大氣海洋參數(shù)。通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析，結(jié)合應用研究機構(gòu)對新類型數(shù)據(jù)的需求，總結(jié)出以下技術(shù)發(fā)展趨勢。

1) 多波束單光子三維地形探測技術(shù)。三維地形探測追求大角度和高距離分辨率，以獲得細節(jié)更清晰的被測對象地形信息，未來三維地形探測激光雷達一定會向著連續(xù)分布的多波束方向發(fā)展。線性和單光子探測技術(shù)均能實現(xiàn)約厘米級的測距分辨率，但是單光子探測技術(shù)對單脈沖能量的要求更低，在同樣的激光平均功率限制下，可提高激光的重復頻率和波束數(shù)，增加星下點的沿軌和跨軌密度。ICESat-2衛(wèi)星搭載的ATLAS載荷已經(jīng)實現(xiàn)星下沿軌方向的幾乎連續(xù)探測，但是對于跨軌方向，由于波束數(shù)有限，條帶仍然較為稀疏，故在現(xiàn)有激光器技術(shù)受限的情況下，只有借助于單光子探測技術(shù)，空間對地激光三維地形探測載荷才能向更高波束方向發(fā)展。美國曾提出LIST(lidar surface topography)計劃[31]，采用跨軌方向1 000波束激光，對星下5 km幅寬開展5 m水平分辨率的單光子探測，該載荷若能成功實施，則可實現(xiàn)真正意義的激光直接對地三維成像探測。

2) 近紅外單光子探測技術(shù)。在同樣單脈沖能量下，波長越長，光子數(shù)越多。對于三維地形探測，在反射率和探測器量子效率相差不大的情況下，采用更長的波長可降低單波束能量，提高激光重復頻率或者波束數(shù)。近紅外波段的太陽散射輻射小，對于某些類型地表(如植被、土壤)，近紅外波段的反射率甚至要優(yōu)于可見光，特別是目前應用最為廣泛的Nd∶YAG激光器，其基頻光1 064 nm也位于近紅外波段，故突破高量子效率近紅外單光子探測技術(shù)是進一步提高對地三維地形探測效率的重要途徑，重點突破的探測波段包括1.06 μm和1.55 μm等，備選技術(shù)包括超導納米線單光子探測技術(shù)、量子上轉(zhuǎn)換單光子探測技術(shù)、InP基單光子探測器技術(shù)和碲鎘汞單光子探測器技術(shù)等。

3) 水下地形與浮游生物垂直分布探測技術(shù)。傳統(tǒng)的水色探測衛(wèi)星利用成像光譜技術(shù)實現(xiàn)海洋葉綠素水平分布的探測，利用可穿透水體波段激光可將探測范圍擴展到垂直方向，實現(xiàn)葉綠素垂直分布的探測，且可穿透水體波段激光雷達技術(shù)還可實現(xiàn)水下地形的探測，這對近海、島礁測繪具有重要意義。

4) 高光譜分辨率激光雷達技術(shù)。對于大氣或者海洋探測，回波信號同時受被測介質(zhì)散射和衰減特征的影響，導致激光雷達方程中存在2個未知量，這對大氣或者海洋要素垂直分布精度的探測有很大的影響。高光譜分辨率激光雷達技術(shù)利用光譜分辨率達到GHz量級的鑒頻器件，分離大氣中的Mie散射和Rayleigh散射，海洋中水體的布里淵散射與浮游生物的Mie散射可提高大氣/海洋探測的定量精度，美國的OPAL(ocean profiling and atmospheric lidar)計劃和歐洲的EarthCARE計劃[32]均采用高光譜分辨率激光雷達技術(shù)，該技術(shù)也可應用于大氣和海洋探測。高光譜分辨率激光雷達技術(shù)還是實現(xiàn)星載風廓線探測的重要途徑，盡管歐洲太空局已將世界上第1顆激光測風衛(wèi)星發(fā)射升空，但該衛(wèi)星僅為試驗衛(wèi)星，未來世界各國仍將繼續(xù)研究高光譜分辨率激光雷達技術(shù)，以推動激光測風衛(wèi)星的實用化發(fā)展。

5) 差分吸收激光雷達技術(shù)。利用工作于特定氣體吸收譜線的波長開展空間主動光電探測，以實現(xiàn)某些氣體濃度的測量，進一步擴展空間主動光電載荷的應用領域。例如：歐洲太空局的WALES(water vapor lidar experiment in space)計劃[33]，采用935 nm高能量脈沖激光開展空間大氣水汽濃度廓線探測；歐洲的A-SCOPE(advanced space carbon and climate observation of planet earth)計劃[34]和美國的ASCENDS(active sensing of carbon emissions over nights, days and seasons)計劃[35]，均擬采用工作于157 nm波段的激光器，開展空間對地CO2濃度探測；歐洲的MERLIN(methane remote sensing lidar mission)計劃[36]，擬采用1 650 nm波段的激光器，開展空間對地甲烷濃度全球分布探測。

6) 空間激光掩星探測技術(shù)。激光掩星探測是空間主動光電探測的重要應用方向之一。激光掩星探測原理如圖20所示，利用2顆軌道面相同但旋轉(zhuǎn)方向相反的衛(wèi)星(1顆衛(wèi)星發(fā)射激光，另1顆衛(wèi)星對穿透大氣層的激光能量和光譜特征進行測量)，可獲取不同高度大氣的溫度、壓強和特殊氣體濃度等信息。如歐洲太空局的ACCURATE計劃[37-38]計劃利用2.0～2.5 μm波段激光器，開展5～40 km范圍內(nèi)的N2O，CH4，CO2，H2O，O3，CO及其同位素分子的探測。

圖20 激光掩星探測原理示意圖Fig.20 Schematic diagram of laser occultation detection

7) 新類型激光器技術(shù)。預計在未來很長一段時間，半導體泵浦的Nd∶YAG激光器仍會是空間主動光電遙感載荷的主要激光器方案，但需要在激光器單頻性、頻率穩(wěn)定性等指標上有所突破，以滿足新型載荷的需求。此外，特殊波段單頻激光產(chǎn)生技術(shù)也是未來的重點研究目標。

4 對我國發(fā)展空間主動光電遙感的建議

相比歐洲和美國，我國在空間主動光電探測領域的技術(shù)水平仍相對落后，特別是在激光器技術(shù)領域，還沒有單頻激光器和紫外到可見光波段激光器的空間應用經(jīng)驗，應用于空間差分吸收激光探測的特殊波段激光器研究也處于起步階段[30]。在大口徑望遠鏡研制領域，我國已經(jīng)能自主研制滿足未來空間對地主動光電探測的1～2 m口徑SiC望遠鏡[39]，但在探測器領域，我國和國外相比仍然有一定的差距，特別是在單光子探測器領域，我國對進口器件的依賴性還較強。在應用于紅外波段的超導納米線單光子探測器[40]等領域，我國也取得了一定的突破。對于發(fā)展我國空間主動光電遙感技術(shù)，有以下建議：

1)開展多波束單光子三維地形探測在軌應用研究。ICESat-2衛(wèi)星已展示了多波束單光子技術(shù)在三維地形探測領域的優(yōu)勢，該技術(shù)也是在現(xiàn)有激光器水平下實現(xiàn)高密度對地三維地形探測的唯一技術(shù)。建議重點發(fā)展陣列單光子探測器，特別要研究紅外單光子探測器在該技術(shù)體制下的應用。

2)開展基于高光譜探測技術(shù)和差分吸收技術(shù)的空間主動光電對地觀測技術(shù)研究。高光譜探測技術(shù)是提高氣溶膠和云定量化精度的重要手段，差分吸收技術(shù)則是實現(xiàn)二氧化碳、甲烷和水汽等特殊氣體濃度探測的唯一途徑，這2種技術(shù)的研究周期較長，需要在激光器、濾光片和探測器領域投入一定的資源，但是它們是提高氣溶膠、云遙感的定量化精度，實現(xiàn)高精度特殊氣體濃度探測的重要手段。

3)開展激光掩星探測技術(shù)研究。激光掩星探測技術(shù)對激光器能量和望遠鏡口徑的資源要求較低，能以較低的成本實現(xiàn)高精度的大氣廓線探測，探測參數(shù)包括溫度、濕度、壓強和特殊氣體濃度等，探測高度覆蓋中高對流層到平流層，故技術(shù)消耗資源較少，可為其他探測同類參數(shù)的載荷提供基準數(shù)據(jù)。

4)開展空間主動光電海洋探測技術(shù)研究。海洋面積占全球面積的70%，了解海洋淺表層的碳源、碳匯過程對人類研究全球變化具有非常重要的意義?？纱┩杆w波段的激光雷達，是唯一可實現(xiàn)海洋淺表層生物質(zhì)垂直分布探測的技術(shù)手段，其在軌應用有助于提高碳循環(huán)研究中海洋模型的精度。

5 結(jié)束語

空間主動光電遙感技術(shù)在三維地形探測、大氣探測和海洋探測等領域具有重要作用，國內(nèi)外利用該技術(shù)開展了很多卓有成效的在軌應用研究。我國在該領域也取得了一定成就，但是與國外相比仍存在一定的差距，特別是在大氣探測領域，目前仍是空白。

本文分析了目前國內(nèi)外空間主動光電遙感技術(shù)研究現(xiàn)狀和特點，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外已經(jīng)開展的載荷應用主要集中在地球和其他星體的三維地形探測、地球大氣氣溶膠和云探測。為提高點云密度和探測效率，三維地形探測正在向多波束單光子探測技術(shù)體制方向發(fā)展，通過發(fā)展新的大氣探測技術(shù)，實現(xiàn)風場、特殊氣體濃度等多參數(shù)的探測。通過梳理目前的載荷技術(shù)，提出我國應在多波束單光子三維地形探測、高光譜分辨率激光大氣探測、差分吸收激光大氣探測、激光掩星大氣探測和激光海洋探測等領域積極開展空間應用研究，以提高我國的空間主動光電遙感載荷應用水平。