星载激光雷达遥感技术进展与发展趋势

一、引言

星载激光雷达遥感技术作为主动遥感手段，具有高时空分辨率和昼夜连续探测的优势，在深空探测和对地观测等领域发挥了重要作用。根据探测原理不同，激光遥感技术主要分为测距激光高度计、后向散射激光雷达、差分吸收激光雷达、多普勒激光雷达、拉曼和荧光激光雷达等。从1971年阿波罗15号首次测量月球表面高程开始，尤其是近30年随着全固态激光器和探测技术的发展，星载激光遥感技术发展迅速。目前已经实现了火星、水星和地球等行星和月球的陆地三维高程测量，地球三维云和气溶胶廓线、全球风场剖面及全球温室气体等的激光高精度测量，为行星探测、气候和气象研究提供极为重要的观测要素。

在深空探测领域，美国国家航空航天局（NASA）先后发射月球、火星、水星激光高度计，成功实现月球、火星和水星表面三维形貌测量。日本、中国和印度也先后发射了月球探测激光高度计，获取了月面三维高程图。在对地观测领域，1994年美国航天飞机载空间激光雷达LITE首次测量全球范围气溶胶和云的垂直分布，具有里程碑意义。进入21世纪，美国先后发射了多个星载激光雷达有效载荷，测量全球范围气溶胶和云的垂直分布，以及两极冰层覆盖和陆地高程。2003年发射了全球首个激光高度计GLAS。2006年发射了全球首个气溶胶和云探测激光雷达CALIOP。2019年发射了全球首个6波束的地球测量的激光高度计ATLAS，首次应用了星载单光子高程测量技术。欧洲航天局（ESA）持续开展星载雷达研究，2018发射了全球首颗风场测量激光雷达ALADIN，计划2024年发射测量云和气溶胶的高光谱探测激光雷达ATLID。在对地测绘领域，从2019年起，我国先后发射了资源三号02星激光高度计、高分七号激光测高仪、陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达等，其中高分七号激光测高仪为中国首个全波形采样的长寿命激光高度计。在对地大气环境监测领域，2022年我国发射了大气环境监测卫星大气探测激光雷达ACDL，该激光雷达是国际首个星载二氧化碳探测激光雷达和国际首个高光谱气溶胶探测激光雷达。计划2025年发射高精度温室气体综合监测卫星大气探测激光雷达，两星组网后实现更高频次的全球温室气体主动遥感监测。

本文介绍国际和国内星载激光遥感技术的发展状况，包括深空探测激光雷达、对地测绘激光雷达、云和气溶胶探测激光雷达、风场探测激光雷达和温室气体探测激光雷达等；同时针对深空探测、陆地测绘、大气和环境精细遥感等领域的迫切需求，对未来的星载激光遥感技术进行展望，分析相关激光遥感技术的发展趋势。中国星载激光遥感技术发展迅速，部分领域取得了国际领先优势，将在测绘、环境和气象等重要应用领域发挥重要作用。

二、国际星载激光雷达遥感技术进展

⒈深空探测激光雷达

1971年美国NASA首次将激光高度计装载在阿波罗15号（Apollo15）环月指令舱，采用氙灯泵浦的机械Q开关红宝石激光器，其重复频率为0.05Hz，输出能量约为200mJ，获取了四轨月球地表高程信息，如图1所示，并将其同样应用在阿波罗16号和17号登月任务上。美国NASA在1996年发射了首个连续工作在行星轨道的火星轨道激光高度计MOLA，首次将激光二极管泵浦的固体激光器应用在星载激光高度计上，激光器工作波长为1064nm，激光重复频率为10Hz，接收望远镜口径为500mm，在轨工作5年，获取了火星表面三维高程信息，如图2所示。随后美国NASA在2004年发射了水星激光高度计MLA，2009年发射了首个多波束的月球轨道激光高度计LOLA，均采用了激光二极管泵浦的固体激光器，工作波长均为1064nm，激光重复频率分别为8Hz和28Hz，能量分别是20mJ和3mJ，长期工作获取了大量的水星和月球表面三维高程数据。LOLA及其获取的月球表面三维高程如图3所示。

图1 阿波罗15号红宝石激光高度计及其获取的高程信息

图2 MOLA及其获取的火星三维地形图

图3 LOLA及其获取的月球表面三维高程图

（a）日本月球激光高度计；（b）印度月球激光高度计

图4 月球激光高度计

日本在2007年发射了“月亮女神”号绕月探测卫星SELENE，其为日本第二个月球轨道探测器，该卫星装载了日本首个激光高度计LALT，如图4（a）所示，激光工作波长为1064nm、发射激光能量为100mJ，工作重复频率为1Hz，测距精度为5m，在轨近1年实现了月球表面三维高程的测量。2008年印度发射了月船-1号探测器Chandrayaan-1，其为印度首个月球探测器，该探测器装载了激光高度计LLRI，如图4（b）所示，激光工作波长为1064nm、发射激光能量为10mJ，工作重复频率为1Hz，测距精度为5m，在轨工作10个月获取了月球表面三维高程数据。

⒉星载对地测绘激光雷达

美国NASA在2003年发射了冰星一号卫星ICEsat，该卫星装载了全球首个地球轨道激光高度计GLAS，其由10cm精度的表面激光测高仪和测量云和气溶胶的532nm/1064nm双波长后向散射激光雷达组成。

GLAS激光雷达结构模型如图5所示，光机头部主要由接收望远镜、三个双波长激光器及发射光学单元、测距和回波信号测量的接收光学探测器、激光指向参考测量系统、整机结构等组成。GLAS主要测量两极地区的冰层，建立高精度的陆地数字高程、全球尺度的云和气溶胶的垂直廓线。GLAS的轨道高度为600km，设计寿命3年，由于激光器故障，在轨6.5年内激光高度计载荷在轨只能间歇开机工作，发射激光总脉冲约20亿次。GLAS的激光发射源为40Hz的全固态Nd∶YAG激光器，1064nm激光脉冲能量为75mJ，532nm激光脉冲能量为35mJ，共有3台激光器，只有1台工作，其他2台备份，采用口径为1m的接收望远镜接收，首次采用了1GHz的全波形采集单元实现1064nm回波激光脉冲波形精确测量，并首次应用了雪崩光电二极管（APD）光子计数探测技术，测量532nm回波获取气溶胶和云廓线。激光雷达获取的北极冰层变化和森林植被覆盖变化如图6所示。

图5 GLAS星载激光雷达结构

（a）北极海冰覆盖；（b）全球森林植被覆盖

图6 GLAS星载激光雷达测量

美国NASA在2019年发射了冰星二号卫星ICEsat-2，如图7所示，其装载了全球首个6波束的地球测量的激光高度计ATLAS，包括3个强波束和3个弱波束，其中穿轨方向地面强波束之间间隔为3.3km、强弱波束间间隔为90m，并首次将单光子计数技术用于高程测量，获得了全球南北两极冰层高度、海洋次表层、陆地高程，以及气溶胶和云的廓线，激光雷达在轨连续工作，多波束的应用极大地丰富了高程测量数据。ATLAS工作轨道高度为500km，重访周期91天，发射激光波长为532.272nm，重复频率为10kHz，三束强波束能量为120μJ，三束弱波束能量为45μJ，接收望远镜口径为0.8m，首次将532nm波段微脉冲激光及光电倍增管（PMT）单光子探测技术应用在星载陆地高程测量。ICEsat-2获得了图8所示的冰盖、图9所示的植被和全球海洋次表层剖面分布。

图7 ICEsat-2卫星激光高度计工作模式和其测量的冰面高程和厚度变化

图8 ICEsat-2卫星激光高度计获取的北极海冰高度变化

（a）植被覆盖高程剖面；（b）海洋次表层光学参数剖面

图9 ICEsat-2卫星激光高度计测量

⒊星载云和气溶胶探测激光雷达

美国NASA兰利研究中心于1988年开始空间气象激光雷达LITE研制计划，1994年航天飞机载激光雷达LITE试验的成功具有里程碑，标志着空间激光雷达进入新的阶段。LITE激光雷达在轨工作状态如图10所示，获得了大量的大气云和气溶胶垂直剖面。作为第一个空间大气激光雷达，LITE是为了大气研究而设计的，采用355nm/532nm/1064nm三波长后向散射激光雷达对全球60°N～60°S范围内的大气气溶胶、云和大气边界层剖面进行探测，用于验证星载激光雷达进行大气三维廓线探测研究的可行性。LITE同时为将来的星载激光雷达系统收集云、气溶胶和表面信号的动态范围和变化，测量对流层和平流层中的云和气溶胶、行星边界层高度、平流层25～40km内大气温度和密度，同时有限地获取陆地和海洋的表层信息。LITE的发射激光器为氙灯泵Nd∶YAG激光器，发射1064nm、532nm和355nm三种波长光，单脉冲能量分别为470mJ、530mJ和170mJ，激光脉冲重复频率为10Hz，脉宽为27ns，接收望远镜口径为1m，采用APD探测器收集1064nm回波，采用PMT探测器收集532nm和355nm回波，在轨工作53小时。

图10 LITE和其测量的大气垂直剖面

云和气溶胶激光雷达红外探索卫星观测系统CALIPSO是由美国NASA和法国国家空间研究中心CNES联合研制的。CALIPSO卫星在2006年发射升空，搭载了3个共轴的仪器，包括激光雷达CALIOP、成像红外辐射计和宽视场相机。其中云和气溶胶测量激光雷达CALIOP是卫星主要载荷，为国际首个双波长星载大气激光雷达，实现云和气溶胶三维廓线测量。图11为532nm/1064nm双波长偏振敏感的激光雷达组成。激光雷达获得532nm通道总后向散射信号、532nm偏振通道后向散射信号及1064nm通道后向散射信号，获取全球气溶胶和云高分辨的垂直剖面，如图12所示，观测大气气溶胶、云的光学特性，了解它们在调节地球天气、气候和空气质量中的作用。

图11 CALIOP系统组成

（a）532nm激光总后向散射信号；（b）532nm偏振通道后向散射信号；（c）1064nm通道后向散射信号

图12 CALIOP获取的衰减后向散射回波信号

CALIOP采用了全固态的Nd∶YAG激光器，发射波长1064nm及其倍频的532nm激光，能量均为110mJ，重复频率为20.16Hz，光束发散角为110μrad，共2台激光器，其中1台用于备份。接收望远镜口径为1m，接收视场角为130μrad，532nm和1064nm接收单元分别采用PMT和APD接收，工作在线性模式，采用10×106s-1的采集单元获取回波信号，最小垂直分辨率分别为30m@532nm和60m@1064nm。

CALIOP工作轨道高度为705km，2023年8月1日关机停止工作，在轨工作17年，远超3年设计工作寿命要求，验证了主动遥感的激光雷达在轨长寿命工作的可行性。CALIOP是传统的散射体制激光雷达，反演气溶胶消光系数剖面时需要假定激光雷达比，导致误差相对较大。CALIOP于2007年8月监测的撒哈拉沙漠气溶胶长距离传输如图13所示。美国新一代气溶胶探测激光雷达计划在2030年左右发射，拟采用激光高光谱探测技术，不需要假定激光雷达比，从而直接高精度反演气溶胶光学参数廓线。

图13 CALIOP于2007年8月监测的撒哈拉沙漠气溶胶长距离传输

空间激光雷达CATS是美国NASA在2012年提出的，是计划安装在国际空间站（ISS）上的多波长散射型气溶胶和云测量激光雷达，在532nm波段设计高光谱分辨激光雷达（HSRL）测量功能。CATS多波长空间激光雷达结构组成如图14所示。CATS的主要目标是在CALIOP失效后，能够继续CALIPSO星载激光雷达的气溶胶和云剖面测量，同时验证了大气剖面的激光单光子探测技术的有效性，填补了欧洲航天局（简称欧空局或ESA）EarthCARE卫星发射前的观测空档。而且ISS近实时数据能力使得CATS能够应用于空气质量以及特殊大气环境变化事件（沙尘暴、火山爆发等）的监测。HSRL通道原计划进行空间技术验证，直接获得气溶胶消光系数，为研制后续新型星载大气气溶胶和云激光雷达奠定基础。

图14 CATS多波长空间激光雷达结构组成

CATS激光雷达安装2台激光器：激光器1输出532nm和1064nm激光，重复频率为5kHz，单脉冲能量为2mJ；激光器2输出355nm、532nm和1064nm激光，重复频率为4kHz，单脉冲能量为2mJ，单频。CATS多波长空间激光雷达测量结果如图15所示。CATS激光雷达望远镜口径为0.6m，2015年2月随龙飞船发射升空后，该激光雷达355nm模块在轨开机就失效。532nm波段的激光器频率锁定模块失效，不能正常工作，使得532nm波段的HSRL高光谱探测功能失效，后续仅1064nm波段的设备正常工作，该激光雷达在2017年10月停止工作，验证了光子探测技术在大气气溶胶和云垂直廓线探测上的能力。

（a）532nm后向散射垂直剖面；（b）1064nm通道退偏比垂直剖面

图15 CATS多波长空间激光雷达测量

图16 GLAS于2003年10月获取的1064nm和532nm通道的大气后向散射信号

冰星一号卫星激光高度计GLAS虽然主要任务是测量两极的冰层高程信息，但是因532nm/1064nm双波长可以同时测量云和气溶胶的后向散射剖面，其中532nm波段采用光子计数的APD探测器接收回波信号，测量的大气气溶胶和云垂直剖面如图16所示。

冰星二号卫星ICEsat-2中地球测量激光高度计ATLAS同时获取了532nm波段大气气溶胶和云的廓线分布信息，如图17所示。

图17 ICEsat-2卫星激光雷达ATLAS于2018年10月17日获取的532nm波段云和气溶胶廓线

欧空局在2024年5月发射地球云、气溶胶和辐射监测卫星EarthCARE，该卫星装载了大气激光雷达载荷ATLID，如图18所示，该激光雷达主要用于测量气溶胶和薄云垂直剖面。激光雷达工作在400km的太阳同步轨道，采用355nm的高光谱探测技术测量气溶胶廓线。该激光雷达发射激光能量为35mJ，重复频率为51Hz，接收望远镜口径为620mm，在20km高度内对大气层的垂直分辨率为100m，20～40km高度范围内垂直分辨率为500m。

图18 EarthCARE卫星ATLID激光雷达

⒋星载大气风场探测激光雷达

欧空局早在20世纪80年代末90年代初提出ALADIN星载测风激光雷达计划。1999年ESA启动ALADIN研制，决定选用直接探测多普勒探测体制，计划将其搭载在2009年发射的ADM-Aeolus卫星上，首次从太空直接测量全球三维风场。ALADIN激光测风雷达接收望远镜口径为1.5m，发射激光工作波长为355nm，测量单视线风速。激光雷达采用收发同轴的工作方式，采用基于Fabry-Perot干涉仪的双边缘监测技术接收分子散射信号，测量对流层和低的平流层风速剖面，采用条纹图像技术接收气溶胶和云散射信号，测量边界层风速剖面。ALADIN激光测风雷达由于激光器研制难度大，研制过程中对轨道高度、激光器能量和重复频率等指标进行了调整，最终研制计划延迟了近10年，在2018年8月成功发射，在轨工作示意图如图19所示。激光雷达工作在320km晨昏轨道，天底角35°，水平分辨率约87km，激光器入轨时能量为65mJ，重复频率为51Hz。2019年6月底，ALADIN激光雷达由于第一台激光器在轨工作能量降低较多，切换到备份的第二台激光器，能量衰减速率有所减缓，初始下降速率约为第一台激光器的1/3，后续基本保持稳定。

图19 ALADIN测风激光雷达在轨工作示意图

ALADIN激光雷达设计寿命3年，实际在轨工作4.5年，2023年4月停止工作，验证的风速测量精度在气溶胶米散射探测通道约为3～4m/s、在分子瑞利散射探测通道约为6～8m/s。ALADIN激光雷达获取的视线风速剖面如图20所示，能够明显地看到对流层强的亚热带射流和平流层强的极地涡旋。ALADIN风速测量精度虽然超出了设计指标要求，但是通过欧洲中期天气预报中心的同化，仍然较大改善了数值天气预报。欧空局新一代星载测风激光雷达相对ALADIN激光雷达有较大改进，从而进一步降低测量误差，计划从2030年起陆续发射三颗卫星，实现业务化运行。关于美国星载测风激光雷达，目前还没有明确的任务计划。

图20 ALADIN测风激光雷达获取全球视线风速剖面

⒌星载温室气体探测激光雷达

美国的国家科学研究委员会在2007年的研究报告中提出在夜间、白天和不同季节都能主动测量二氧化碳浓度的星载任务ASCENDS，实更完整的、无偏差的、全球范围覆盖的柱线浓度分布。ASCENDS测量示意图如图21所示。美国在20年的研究报告中再次提出了二氧化碳浓度探测的主动激光遥感卫星的计划，目前还没有明确的发射任计划。ASCENDS任务的主要目标是：①在天气模型尺度上量化全球大气二氧化碳的空间分布；②以每周分辨率在1°网格上量化当前全球陆地和海洋二氧化碳源和汇的空间分布；③通过地球系统过程建模的数据驱动增强，为未来二氧化碳源和汇的预测提供科学依据。ASCENDS初步考虑400～450km太阳同步轨道，优先考虑1.57μm的多波长激光作为发射源，接收探测器选用碲镉汞的APD，载荷设计寿命3年，获得1×10-6的二氧化碳柱浓度测量精度。由于来自地面的二氧化碳通量只引起对流层二氧化碳浓度空间分布的微小变化，遥感面临的挑战是在大范围的大气和地面条件下实现<0.25%（<1×10-6）的测量不确定度，从而准确测量关于全球二氧化碳浓度的这些微小变化。在ASCENDS任务实施前，美国NASA组织了多波段、多探测体制的机载二氧化碳探测激光雷达飞行验证试验，验证了1×10-6的测量精度。

图21 ASCENDS星载激光雷达测量示意图

欧空局2008年将二氧化碳测量激光雷达A-SCOPE作为6个候选的地球探测核心任务之一，主要目标就是通过观测近红外光谱区域的CO2平均分布，来确定CO2的区域性源和汇。A-SCOPE如图22（a）所示，设计寿命3到5年，400km太阳同步轨道，要求二氧化碳柱浓度精度为0.5×10-6～1.5×10-6。A-SCOPE原计划在2016年发射，由于1.57μm激光器等研制难度极大，被取消。为了验证星载主动激光的温室气体探测技术，2017年德国宇航局和法国空间研究中心合作，启动研制测量全球甲烷的激光雷达卫星MERLIN，如图22（b）所示。

（a）温室气体探测激光雷达A-SCOPE；（b）星载激光雷达卫星MERLIN

图22 激光雷达示意图

卫星工作在500km太阳同步的晨昏轨道，设计寿命3年，激光雷达采用积分路径差分吸收探测体制（IPDA），工作波长为1645nm，接收望远镜口径为690mm，采用APD探测器接收地面回波信号。MERLIN甲烷柱浓度测量随机误差为22×10-9，系统误差为3×10-9，原计划2022年发射，目前推迟到2028年2月。

三、中国星载激光雷达遥感技术进展

⒈深空探测激光雷达

中国在2007年10月发射了首颗月球探测卫星嫦娥一号激光高度计，图23所示分别是激光高度计实物以及获取的全月表数字高程图（DEM），该激光高度计为中国首个具有完全自主知识产权的星载激光高度计，由中国科学院上海技术物理研究所（简称上海技物所）与上海光学精密机械研究所（简称上海光机所）共同研制。激光高度计工作在200km的环月轨道，激光工作波长为1064nm，发射激光能量为150mJ，工作重复频率为1Hz，接收望远镜口径为120mm，采用APD探测器接收回波信号。激光高度计在轨1年实现了1369轨912万点月表地形高度数据的获取。该激光高度计首次有效获取了月球南北两极的高程数据，为月球表面三维影像的获取提供了重要数据。2010年10月发射的嫦娥二号卫星搭载了同样的激光高度计，为高分辨率CCD立体相机工作参数的调整提供卫星相对月表高度数据，激光地面足印减小到之前的1/3，激光重复频率提高到5Hz，测距精度优于5m。2013年发射的嫦娥三号月球探测器着陆器装载了激光测距仪和激光三维成像仪，助力着陆器在月面上寻找最佳落脚点。在后续的嫦娥系列月球探测任务中，激光测距仪和激光三维成像仪为标准配置载荷，在相关任务中发挥了重要作用。

图23 嫦娥一号激光高度计及获取的全月球DEM图

⒉星载对地测绘激光雷达

2016年5月中国成功发射了资源三号02星（ZY3-02），卫星搭载了对地激光高度计，如图24所示，由北京空间机电研究所研制。激光高度计工作轨道高度为500km，发射激光波长为1064nm，激光能量为200mJ，激光重复频率为2Hz，在轨成功验证，获取了大量激光测高数据。

图24 资源三号02星激光高度计

中国首颗亚米级高分辨率光学传输型立体测绘卫星高分七号于2019年11月发射，卫星装载了国内首个长寿命的双波束激光测高仪，该激光测高仪及其陆地高程测量结果如图25所示，激光测高仪载荷由上海技物所与上海光机所共同研制。卫星轨道高度为500km，激光测高仪工作波长为1064nm，激光能量为180mJ，重复频率为3Hz，接收望远镜口径为600mm，测距精度优于0.3m。2020年6月在内蒙古自治区锡林郭勒盟对高分七号卫星激光测高仪进行了首次在轨几何检校，取得圆满成功，实现了我国卫星激光测高检校技术的跨越。

图25 高分七号卫星激光测高仪及陆地高程测量结果

针对陆地森林植被测量需求，中国在2022年8月发射了陆地生态系统碳监测卫星，卫星主载荷为多波束激光雷达，如图26所示，由北京空间机电研究所和上海光机所研制。该激光雷达主要测量植被覆盖来评估生物量及其变化。卫星工作轨道高度为506km，激光雷达发射5波束的1064nm激光，地面波束穿轨方向间隔为3.75km，激光能量为73mJ，重复频率为40Hz，接收望远镜口径为1m，测距精度为0.3m。

图26 陆地生态碳监测卫星及多波束激光雷达

⒊星载云和气溶胶以及温室气体探测激光雷达

2017年国家民用空间基础设施大气环境监测卫星（DQ-1卫星）启动卫星工程研制，大气探测激光雷达（简称ACDL）是大气环境监测卫星主载荷，其参数如表1所示，由上海光机所研制，2022年4月16日随卫星成功发射，工作轨道高度为705km，设计工作寿命8年。大气探测激光雷达实现了国际创新跨越：国际首次星载激光雷达测量全球CO2浓度；国际首次星载激光高光谱探测体制测量全球气溶胶和云的垂直廓线。大气探测激光雷达ACDL采用高光谱探测技术测量大气、气溶胶和云光学特性参数，采用路径积分激光差分吸收技术测量CO2柱浓度，在一套大气探测激光雷达中集成了两种不同原理的探测体制，实现大气环境多参数同步测量。激光雷达发射532nm、1064nm和1572nm三波长双脉冲激光，满足气溶胶和云廓线以及CO2柱浓度同时测量需求，实现了碳污同测。大气环境监测卫星及激光雷达载荷如图27所示。对于星载激光雷达CO2测量，CO2柱浓度定标很难在室外环境下完成，同时高能量的激光雷达对工作环境空气洁净度要求极高。为了解决实验室条件下激光雷达CO2浓度定标难题，提出了基于CO2吸收池的激光雷达大气CO2浓度测量定标装置和方法，为星载CO2激光雷达浓度测量精度实验室定标提供了新的解决方案。该项装置成功对星载大气探测激光雷达CO2柱浓度测量进行了实验室定标，证实了该激光雷达系统能够实现对CO2柱状浓度的1×10-6高精度测量。计划2025年发射高精度温室气体综合监测卫星（DQ-2卫星）大气探测激光雷达，该卫星为国际上首颗采用主被动方法遥感全球温室气体的卫星，实现高精度和大幅宽的全球温室气体监测。DQ-2卫星与大气环境监测卫星组网后，进一步提供观测频次，为全球碳盘点和评估提供重要的观测数据。

图27 大气环境监测卫星和大气探测激光雷达ACDL

表1 激光雷达ACDL主要技术参数

大气探测激光雷达ACDL在轨连续稳定工作2年，截止2024年4月10日总计发射11.2亿次双脉冲激光，实现了高精度二氧化碳和气溶胶遥感数据反演。同全球碳柱总量观测网（TCCON）站点对比，ACDL激光雷达验证了CO2柱浓度测量精度优于1×10-6。

图28为星载激光雷达测量的2022年7月二氧化碳柱浓度全球分布，空间分辨率为1°×1°网格，数据覆盖了白天和晚上、南极和北极，实现了覆盖南北极的昼夜连续观测。按照1°×1°网格，星载激光雷达全球有效数据月平均覆盖率大于80%，相当于8～10颗被动卫星覆盖率。同AERONET和国内地基激光雷达站点对比，ACDL激光雷达的气溶胶垂直廓线测量精度优于20%，垂直分辨率优于30m，达到设计目标。特别对于星载激光雷达全球CO2测量，实现了国际3个首次突破：首次得到高精度（优于1×10-6）的全球CO2柱浓度；首次获得夜晚的全球CO2柱浓度；首次获得南北两极的CO2柱浓度。

图28 星载激光雷达ACDL测量的 2022年7月全球二氧化碳柱浓度数据

激光雷达典型获取的大气云和气溶胶垂直剖面如图29所示，给出了532nm波段高精度的气溶胶和云的衰减散射系数剖面，穿过沙漠区域的气溶胶散射信号强度大，高度扩展到5km以上。对于气溶胶和云测量，通过数据产品处理，获得了大量的全球高精度气溶胶和云后向散射系数、消光系数、退偏比、色比和激光雷达比等参数，垂直分辨率最小24m，为全球气溶胶的精准探测和科学应用提供重要数据。图30为2023年6月5日经加拿大野火地区的ACDL激光雷达载荷卫星遥感数据反演的数据产品，给出了烟雾气溶胶的多种光学参数的垂直分布。

图29 激光雷达ACDL获得的典型云和气溶胶衰减后向散射系数剖面

（a）后向散射系数；（b）消光系数；（c）粒子退偏振比；（d）激光雷达比

图30 激光雷达云和气溶胶光学参数剖面

国内外研制的深空探测和对地测绘典型星载激光雷达载荷统计如表2所示，主要获得高程信息，工作波长主要是1064nm波段，激光脉宽小于20ns，包括低重复频率和高重复频率的激光。研制的大气探测类星载激光雷达载荷统计如表3所示，包括云和气溶胶探测激光雷达、温室气体探测激光雷达和风速测量激光雷达，根据不同应用主要采用了5种激光波长，对于温室气体、风场和高光谱气溶胶测量，均要求激光器为稳频的单频激光，回波信号弱，望远镜口径均大于0.6m。

表2 深空探测和对地测绘典型激光雷达载荷

表3 星载大气探测类激光雷达载荷

四、星载激光雷达遥感技术发展趋势

最近30年，长寿命固体激光器技术、低噪声探测器技术及轻量化望远镜技术发展迅速，为星载激光遥感技术的快速发展奠定了基础。针对深空探测、陆地测绘、大气和环境精细遥感等领域的迫切需求，星载激光遥感技术未来展望如下。

⑴在深空探测领域，激光高度计、三维激光成像仪及激光测距测速仪发挥了重要作用，逐步成为标准配置载荷，未来将进一步实现高度集成化。

⑵在对地测绘领域，多个星载激光雷达实现了多波束的线性探测和光子探测，提高了全球覆盖的立体测绘效率，但是波束数目前最多为6。针对高密度网格和高时效性的三维高程测量需求，未来需要发展甚多波束的激光三维测绘技术，波束数需达100～1000，激光器采用5～10kHz的高重复频率，探测器采用单光子探测技术。

⑶在大气环境探测领域，针对气溶胶和云高精度立体探测需求，主要发展激光高光谱探测技术，如干涉仪、分子或原子滤波器的高光谱探测单元；为了兼顾微物理参数测量，需要发展多波长的气溶胶和云激光雷达探测技术，如355nm、532nm和1064nm，对于云的测量，还需要发展1.5μm以上的短波红外激光探测技术；为了满足一定幅宽同时提高时效性，需要发展多波束探测技术，并采用高重复频率激光和光子探测技术。

⑷在大气温室气体探测领域，星载激光雷达载荷验证了覆盖南北两极、全天时和高精度的全球温室气体二氧化碳浓度测量，需要突破全球温室气体甲烷浓度测量，进一步利用同一个星载激光雷达同时实现温室气体二氧化碳和甲烷柱浓度测量。

⑸在大气三维风场测量领域，星载激光雷达在轨获取的风速在增强数据天气预报方面效果显著，欧空局正在规划将星载测风激光雷达作为业务卫星，同时进一步提高探测精度和测量范围。未来星载测风激光雷达工作体制主要包括直接探测体制或相干和直接的混合探测体制。

⑹在海洋立体遥感领域，星载蓝绿激光雷达将发挥重要作用，需要突破窄线宽、大能量蓝绿激光器技术和高效率光子探测技术，实现100m/150m深度的全球海洋剖面立体探测。

⑺在新型激光遥感方面，将突破基于激光频率梳、飞秒白光激光光源的新型空间大气激光遥感探测技术，实现大气多种要素的全球精细测量。

从全球发展趋势来看，星载激光遥感技术从单一功能向多功能综合探测发展，从定性和半定量探测向定量遥感发展，从单波长向多波长探测发展，从单一波束探测向多波束探测发展，从单点探测器向探测器阵列发展，从模拟探测向单光子探测发展，并不断追求极限灵敏度探测，最终实现高时空分辨率、高垂直精度的目标观测或探测。

星载激光雷达在多个领域将发挥重要作用，从科研星载荷的定位逐渐实现业务化运行，工作寿命满足5年以上；为了缩短重访周期、增加覆盖率，将从单星工作逐渐发展为多星组网。不同探测体制的激光遥感技术对激光器技术和探测技术的需求不同，针对不同类型星载激光雷达发展，需要突破特殊波段、高效率和高功率激光器技术，高灵敏度、高量子效率和覆盖更广波段的探测器技术，大功率激光器高效热控技术，及轻量化大口径望远镜技术等。

五、结论

在过去的50年，星载激光遥感先后在深空探测、陆地测绘、云和气溶胶廓线测量、大气风速剖面获取以及大气温室气体柱浓度测量等领域得到了有效验证，在陆地高程、气溶胶-云光学参数、大气风速和温室气体等方面具有独特的高精度探测能力，相关数据产品在各应用领域发挥了重要作用。我国星载激光遥感技术虽然起步晚，但是近20年发展迅速，星载二氧化碳柱浓度激光遥感和气溶胶激光高光谱探测在国际上均首次在轨成功验证，实现了中国空间激光遥感的国际创新和跨越发展，将为全球温室气体和气溶胶的精准探测和科学应用提供重要手段，贡献中国智慧。未来需要加快推进星载激光雷达碳监测组网星发展以及风云卫星测风和测云激光雷达载荷的发展，更好地服务于“双碳”国家战略和气象高质量发展，同时在研制星载激光载荷的同时，需要同步大力推进数据处理、反演和地面应用方面的研究，提高我国在激光遥感的综合应用能力。

【作者简介】文/陈卫标 刘继桥 竹孝鹏 毕德仓 侯霞，来自中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部、中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室。第一作者陈卫标，1969年11月出生，男，中国科学院上海光学精密机械研究所，所长，研究员，中国光学工程学会会士。文章来自《中国激光》（2024年第11期），参考文章略，版权归出版单位与作者所有，用于学习与交流。
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