空间主动光电遥感现状及发展

舒 嵘，孔 伟

(1.中国科学院空间主动光电技术重点实验室，上海 200083； 2.中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083)

0 引言

空间主动光电遥感是指在开展空间活动过程中，光源向被探测目标主动发射具有一定能量和光谱特征的光束(一般为激光)，通过测量目标散射回波的强度、偏振态、光谱等特征，获取被测目标距离、成分等信息的技术。

空间主动光电遥感技术可实现微波或者光学被动探测载荷所不具备的距离分辨能力；不需要太阳或者自然界其他光源对目标进行照射，即可实现全天时的遥感探测；空间主动光电遥感探测的辐射传输模型简单，引入的误差较小。相比微波主动探测，主动光电遥感的优势有：1)载荷的工作波长更短，激光波束更窄，可获得更精细的地形信息；2)大气对光学波段电磁波的散射更强，可在光学波段开展大气廓线的探测；3)利用可穿透水体波段开展对地观测，可获取浅滩地形和浅表层水体浮游生物垂直分布信息。因此发展空间主动光电遥感技术对高精度三维地形探测，高垂直分辨率大气参数廓线探测，以及海底地形、浅表层浮游生物垂直分布探测具有非常重要的意义。

本文对国内外空间主动光电载荷的发展现状及技术特点进行了描述，分析了空间主动光电遥感载荷的发展趋势，对我国空间主动光电遥感技术的发展提出了建议。

1 国外发展现状及技术特点

自1960年MAIMAN发明激光器以及1962年MCCLUNG和HELLWARTH发明调Q脉冲激光器后[1-2]，主动光电遥感被应用于地形、大气、海洋等领域的探测中。1971年，随着阿波罗15号的升空，主动光电遥感载荷在空间中的应用得以实现，利用搭载在指令舱内的红宝石脉冲激光器，阿波罗15～17号开展了多次绕月激光测距工作[3-5]，但受限于当时激光器技术的水平，探测效率极低，3次任务仅累积了几千次月表高程测量数据。20世纪90年代，随着脉冲激光技术的进步，特别是半导体泵浦脉冲激光器的发展解决了激光器质量、寿命和探测效率的问题，空间主动光电遥感载荷才开始真正得到发展。

表1列出了1971—2018年国内外主要空间主动光电载荷的发展历史。按照探测内容，空间主动光电载荷分为高程探测载荷和大气探测载荷。前者可准确测量被测星体表面的散射脉冲与发射脉冲的时间差，获取星体表面形貌信息；后者可测量大气和地表散射信号的强度、光谱、偏振态等特征，获取大气不同参数(如气溶胶、云和风场)随高度的变化特征，或者特定气体的柱浓度区域分布特征。

表1 1971—2018年国内外空间主动光电载荷发展历史

1.1 高程探测载荷

截至2018年，国外已经成功实施了多个空间激光测高载荷，如美国冰、云、陆地高程卫星(ICESat)上搭载的地球科学激光测高系统(GLAS)[6]，美国月球勘测轨道飞行器(LRO)上搭载的月球轨道激光测高仪(LOLA)[7]，美国冰、云、陆地高程卫星2号(ICESat-2)上搭载的先进地形激光测高系统(ATLAS)[8-9]。

1.1.1 地球科学激光测高系统

ICESat是NASA于20世纪80年代制定的地球观测系统(EOS)计划中的一部分，它于2003年1月13日发射升空，其轨道高度约为600 km。图1展示了ICESat的空间效果图。该卫星的任务包括：1)测量地球两极的冰盖总量，研究冰盖总量对海平面变化的影响；2)测量云和气溶胶的分布和垂直结构，其中云参数的观测包括多层云的高度、云顶和云底高度、散射截面的垂直廓线、薄云的光学厚度等；3)测量冰面(如格陵兰和南极冰层)、陆地地形和植被的冠盖高度，了解表面粗糙度、反射率、植被高度和冰雪面的特征。这些任务主要由ICESat搭载的GLAS完成，它是世界上第1个可长期连续在地球轨道运行的激光高度计。

GLAS配备3台(1主2备)相同的二极管泵浦调QNd∶YAG激光器，每台激光器均同时输出基频和2倍频光，单脉冲能量分别为75 mJ(波长为1 064 nm)和32 mJ(波长为532 nm)。GLAS利用1 064 nm激光开展陆地高程探测，采用全波形方案获取植被垂直分层信息，利用532 nm激光开展气溶胶、云垂直分布廓线的探测。基于高精度激光指向测量技术，GLAS可保证冰面坡度小于3°时测距精度优于10 cm。

图1 ICESat卫星Fig.1 Satellite of ICESat

由于技术原因，ICESat发射36 d后，GLAS载荷的1台激光器发生故障，无法输出激光，而另外2台激光器的2倍频激光能量也快速衰减，故原定的大气探测计划无法完成，GLAS不得不调整计划，每年只开展3次观测，每次观测时间持续30～50 d，图2展示了1个观测周期内ICESat的南北极高程探测结果。随着2009年10月GLAS最后1台激光器停止发光，ICESat卫星不再开展激光对地测距探测，卫星也于2010年2月结束其全部任务。

图2 ICESat 1个观测周期内的典型南北极探测结果Fig.2 Typical results at north and south poles obtained in one observation period of ICESat

1.1.2 月球轨道激光测高仪

2009年6月18日，美国发射的月球勘测轨道飞行器(LRO)上搭载了1台LOLA[7]，LOLA同样以Nd∶YAG激光器作为光源，采用5波束发射，极大提高了数据获取率及水平分辨率。图3展示了LOLA的系统构成、实现5波束分光的衍射光学元件(DOE)和远场光斑分布。DOE是实现自由空间多波束激光发射的核心器件，LOLA中的DOE将1束激光按能量等分为5束，在焦平面上安装5个探测器，对这5个波束回波进行同时探测，这样不仅可获得更密的测量数据，还能获取月表斜率、粗糙度等信息。图4展示了LOLA载荷测得的月表高程、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获得了迄今为止最高密度测量数据构成的月面三维地形图。

图3 LOLA系统组成、核心DOE及月面光斑分布示意图Fig.3 System composition of LOLA, key DOE and light spot distribution on lunar surface

图4 月球勘测轨道(LRA)卫星上搭载的LOLA测得的不同参数分布图Fig.4 Distributions of different parameters obtained by LOLA aboard on LRA satellite

1.1.3 先进地形激光测高系统

ATLAS是搭载在ICESat-2卫星上的激光测高载荷。ICESat-2卫星于2018年9月发射升空，轨道高度为500 km，首次利用光子计数体制开展地形探测，考虑到更成熟的单光子探测器的工作波段，ATLAS工作于Nd∶YAG激光器的2倍频(532 nm)，重复频率也提高到10 kHz，可进行连续的星下足印测量，实现对高密度地形、植被、树冠高度等信息的探测[8, 10]。

由于采用光子计数体制，激光器的单脉冲能量仅为40～170 μJ，在同样的系统功耗下，载荷设计了6个波束(见图5)，激光重复频率高达10 kHz，足印间距仅为0.7 m，故可实现星下6个条带的连续探测。ATLAS的6个波束中，3个波束能量较强，其他3个波束能量较弱，两者的能量比约为4∶1，如此设计可适应不同反射率目标的测量，减小由单次回波光子数过多导致的地表反射率反演失真。ICESat-2卫星激光载荷地面激光足印分布如图6所示。

图5 ICESat-2卫星对地观测效果图Fig.5 Earth observation rendering of ICESat-2 satellite

图6 ICESat-2卫星激光载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波段还具备水体穿透能力，能测量水下地形变化，图7展示了典型的ATLAS单光子点云数据，该结果清楚地展示了陆地、海面和浅滩水底的三维结构，还展现了森林植被的垂直分布和海洋波浪的形态特征。

图7 ATLAS的典型单光子点云数据Fig.7 Typical single photon point cloud data of ATLAS

1.2 大气探测载荷

相比激光高程探测载荷，目前已经成功实施的大气探测空间主动光电遥感载荷较少，主要有空间激光雷达试验(LITE)大气探测载荷[11]，云-气溶胶激光雷达与红外探路者(CALIPSO)卫星上搭载的云，气溶胶偏振激光雷达(CALIOP)载荷[12]，安装在国际空间站的云、气溶胶输运系统(CATS)探测载荷[13]，“风神号”上搭载的大气激光多普勒载荷[14]。

1.2.1 空间激光雷达试验

LITE计划是美国开展的1次航天飞机搭载的空间激光探测试验[11]。LITE大气探测载荷于1994年搭载在“挑战者号”航天飞机上升空(见图8)，主要应用于大气气溶胶、云层垂直分布的探测，轨道高度定为260 km，载荷主要由1台直径为1.0 m的望远镜和2台Nd∶YAG激光器组成，激光器以10 Hz的重复频率同时发射1 064，532，355 nm激光，3个波长的总单脉冲能量超过1 100 mJ，LITE载荷的垂直分辨率为35 m，9 d的任务中共采集了10 h的数据，这为后续激光大气探测载荷的研制提供了丰富的观测数据。图9为该载荷观测到的典型云、气溶胶垂直分布变化结果，该载荷还首次在太空观测到台风中心云系的垂直结构变化[15]。

图8 安装在“挑战者号”航天飞机上的LITE空间激光雷达试验载荷Fig.8 LITE space lidar experiment payloadaboard on Challenger Space Shutter

图9 LITE载荷532 nm波段的典型观测结果Fig.9 Typical observation results at 532 nm obtained by LITE payload

1.2.2 云、气溶胶偏振激光雷达

CALIOP于2006年发射，是NASA云-气溶胶激光雷达与CALIPSO卫星上的激光大气探测载荷(见图10)[12]，它采用双波长偏振测量机制，实现了云和气溶胶垂直分布特征的探测，是世界上首个在地球轨道上开展连续大气激光观测的卫星。CALIOP工作于Nd∶YAG激光器的基频(1 064 nm)和倍频(532 nm)波段，532 nm激光的偏振纯度高达1 000∶1，同时接收1 064 nm弹性散射和532 nm垂直、平行偏振信号，可对气溶胶和云进行分类识别，区分城市气溶胶和沙尘气溶胶以及云中粒子的类型(液态水滴或冰晶粒子)。该卫星从2006年开始采集数据，预期寿命为3a，但至今仍处于在轨工作状态，从工作至今已经获得了很多有价值的研究成果，例如：基于CALIOP的观测数据，研究人员对世界各地主要沙漠的沙尘气溶胶在输送路径上的分布及沉降特征[16]进行了研究，获得了较粗网格内全球范围大气气溶胶和云的三维分布结果[17-18]，并对火山爆发事件向平流层注入气溶胶的过程[19]，以及气溶胶和云的相互作用机制[20]有了更深的了解。利用CALIOP探测数据，人类首次观测到了沙尘气溶胶随风场迁徙的三维结构。图11展示了CALIOP观测到的撒哈拉沙漠沙尘随大气环流输运至北美洲的结果[21]，CALIPSO首次清晰地呈现了沙尘气溶胶长距离输运过程中的垂直结构变化。

图10 CALIPSO上的有效载荷Fig.10 Payload at CALIPSO

图11 CALIPSO追踪到的撒哈拉沙漠沙尘 气溶胶漂移至北美洲的三维结构Fig.11 Three-dimensional structure of dust aerosol transported from Sahara desert to thenorth America traced by CALIPSO

1.2.3 云-气溶胶运输系统

CATS探测载荷是1个气溶胶/云探测载荷(见图12)[13]，2015年由NASA发射至国际空间站，其重复频率高达5 kHz。CATS可发射1 064，532，355 nm激光，重复频率提高后，单脉冲能量低至2～3 mJ，使得大气的回波光子计数率降低到MHz量级或更低，故可采用单光子测量技术进行回波采集，以提高探测灵敏度。当CATS工作在模式2和3时，激光器以单频输出，这时可开展高光谱分辨率激光雷达探测试验，提高气溶胶/云的定量遥感精度；当CATS工作在模式1时，可同时输出2个波束的激光，从而提高探测密度与测量效率。CATS激光束的发散角仅约为36 μrad，望远镜口径为600 mm，这种情况下可保证系统工作于向阳侧时总信号低于饱和光子计数率。类似于LITE计划，CATS是NASA用于验证下一代星载大气探测激光雷达的验证系统，其预期在轨工作时间为3个月，实际服役时间为3 a。

图12 CATS载荷实物图Fig.12 Physical map of CATS payload

1.2.4 大气激光多普勒载荷

风场的全球尺度观测是目前气象卫星载荷急需解决的难题，在经历多次延期后，欧洲太空局(ESA)于2018年将全球首颗大气风场探测卫星ADM-Aeolus(atmospheric dynamics mission Aeolus)发射升空[22]，大气激光多普勒载荷(ALADIN)是该卫星的主载荷，其工作于Nd:YAG激光器的3倍频(355 nm)，激光器以单频输出，其中心波长与回波模块中的高光谱分辨率鉴频器精确匹配。由于技术实现难度太大，ADM-Aeolus的轨道高度最终降低至约320 km，以提高激光载荷的信噪比，且原本同时测量经向和纬向2个方向风场的计划，被压缩至仅开展1个方向的风场探测。

ALADIN的激光单脉冲能量为120 mJ，重复频率为100 Hz，这是迄今为止开展空间观测的最大能量紫外脉冲激光器，采用直径为1.5 m的望远镜，这也是迄今为止最大的空间对地观测望远镜，即便如此，卫星轨道仍然降低至约320 km，以提高测量信噪比，这导致卫星需要额外携带266 kg燃料以维持轨道。ALADIN同时采用Mie散射和Rayleigh散射测风技术，可适应气溶胶散射强区域(如大气边界层、云层)和纯分子散射信号区域(自由大气气溶胶较少的区域)的测量，实现近地面到20 km的全覆盖，高度越高，其垂直分辨率越低。

图13展示了ADM-Aeolus卫星的观测方式，卫星指向与天底方向成大约35°，光束在地面的投影与纬线平行，可测量纬向风场变化。图14展示了ADM-Aeolus卫星1个完整轨道的纬向风场观测结果，该图清楚地展示了极涡和亚热带急流的结构和垂直分布，这是以前卫星无法做到的。

图13 ADM-Aeolus卫星对地观测方式Fig.13 Diagram of earth observation of ADM-Aeolus satellite

图14 ADM-Aeolus卫星一次典型纬向风探测结果Fig.14 Detection results of typical zonal windobtained by ADM-Aeolus satellite

1.3 国外发展现状及技术特点总结

表2列出了前面介绍的典型高程探测和大气探测载荷的技术指标。由表可见，这些载荷具有如下特点：

1)目前绝大多数空间主动光电载荷聚焦于气溶胶和云垂直分布、星体表面高程的探测，只有2018年发射的ADM-Aeolus水平风场探测试验卫星例外[14]。这种直接探测纯弹性散射信号的方式存在一些问题：如用于探测大气云和气溶胶分布时，数据反演依赖于很多假设，定量化精度偏低；三维地形探测载荷多采用线性探测体制对回波进行量化，这种技术对单波束的能量要求较高，激光重复频率一般不会设计太高，波束数一般不会太多，很难实现星下轨迹的连续探测。

2)目前绝大多数空间主动光电载荷将无种子注入的Nd∶YAG激光器作为光源，发射波长为该激光器的基频、2倍频和3倍频，这主要因为此激光器技术较为成熟，探测器性能较好。2015年发射至国际空间站的CATS载荷和2018年发射升空的ADM-Aeolus卫星[13-14]，激光器具备单频输出能力，开展了高定量精度的气溶胶分布和纬向风场探测。

3)国外空间主动光电载荷的波束数逐渐增多，但仍然停留在少波束量级，尚未实现与被动空间载荷类似的百波束至千波束探测。这主要是受限于目前激光器电-光转换效率仍未得到突破，卫星平台无法满足超大功率激光器的散热需求。但对于地形探测领域，单光子探测技术的发展减小了载荷对单脉冲能量的需求，通过大幅度提高激光重复频率(如将ATLAS的重复频率提高至10 kHz)，极大提高了星下点的探测密度。

表2 国外部分空间主动光电遥感载荷主要技术指标

2 国内发展现状及技术特点

2.1 国内空间主动光电技术发展现状及工程应用

国内对空间主动光电遥感探测载荷方面的研究起步较晚，但是也开展了很多卓有成效的工作，包括嫦娥一～四号上搭载的激光高度计(2007—2018年)、嫦娥三/四号上搭载的激光三维成像敏感器(2013/2018年)、资源三号02星上搭载的激光测高仪(2016年)和高分七号立体测绘卫星上搭载的激光高度计(预计2019年发射)。

2.1.1 嫦娥一/二号搭载的激光高度计

嫦娥一/二号上均搭载了1台激光高度计[23-24]，这2个载荷均由中国科学院上海技术物理研究所研制，2台激光高度计的参数相当，均工作于Nd∶YAG激光器的基频光(波长1 064 nm)，激光单脉冲能量为150 mJ，激光经扩束后，月面光斑直径为600 m。嫦娥一号上搭载的激光高度计的重复频率为1 Hz，嫦娥二号激光高度计调整至5 Hz，月面回波由直径为134 mm的望远镜接收，经窄带滤光片后汇聚到硅基雪崩光电二极管上。图15为嫦娥一号卫星激光管高度计的实物图。嫦娥一/二号上搭载的激光高度计均具备以5 m精度(3σ置信度)探测月球表面高程的能力。利用嫦娥一/二号上搭载的激光高度计的数据，我国首次获得了月球表面高精度的数字高程模型(DEM)图(见图16)，为后续嫦娥系列着陆器的选址提供了基本数据。

图15 嫦娥一号卫星搭载的激光高度计Fig.15 Laser altimetry aboard on Chang’e-1 lunar satellite

图16 嫦娥一号激光高度计探测的全月面DEM图Fig.16 Observed lunar DEM map by laser altimetryaboard on Chang’e-1 lunar satellite

2.1.2 嫦娥三/四号搭载的激光三维成像敏感器

为实现嫦娥三/四号着陆器的软着陆[25]，着陆器上安装了激光三维成像敏感器。当着陆器悬停在月面100 m高度时，该载荷可对下方三维地形进行精确探测，指导着陆器规避障碍并准确着陆在平坦区域。该载荷由中国科学院上海技术物理研究所研制，采用16波束并行扫描的方式，实现4 帧/s的三维地形扫描，激光器单波束的能量为5 μJ，激光重复频率为50 kHz，接收系统直径为33 mm，载荷的3σ测距精度优于0.15 m，平面分辨率为0.2 m，扫描视场达到33°×29°，该载荷成功保障了嫦娥三/四号月面软着陆任务的顺利实施。图17为嫦娥三号软着陆最后阶段探测到的着陆点下方三维地形图。由图可以看出，最终着陆点选择在图中所示的相对平坦区。

图17 嫦娥三号月面软着陆过程悬停阶段激 光三维成像敏感器测量结果及着陆点Fig.17 Observation results by laser 3D imagingsensor and landing point duringChang’e-3 lunar soft landing stage

2.1.3 资源三号02星搭载的激光测高载荷

资源三号02星上搭载了我国首个对地激光测高试验载荷[26-28]，该载荷由北京空间机电研究所研制[29]，采用Nd∶YAG激光器作为激光源，工作波长为1 064 nm，脉冲宽度为6.5 ns，激光重复频率为2 Hz，激光单脉冲能量为175 mJ，载荷有效接收孔径为210 mm，卫星轨道高度为505 km。经在轨检校后，在坡度小于2°的情况下，资源三号02星搭载的激光测高载荷的高程精度优于1.0 m，平面精度优于15 m[26]。

2.1.4 高分七号卫星搭载的激光测高载荷

高分七号卫星是我国第一颗激光立体测绘卫星，其搭载的激光测高载荷由中国科学院上海技术物理研究所研制，它利用2波束激光测距技术，为立体相机提供高程控制点。图18展示了高分七号卫星搭载的有效载荷的整体结构，该载荷的激光器由4台Nd:YAG激光器组成，任意时刻均有2台激光器同时工作，向2个方向发射激光，2束激光在地面的足印间距为12 km，激光重复频率为6 Hz，单脉冲能量为180 mJ，采用0.6 m的望远镜接收回波信号。图19展示了该载荷地面足印的分布。与国内之前激光测高载荷不同的是，高分七号卫星搭载的激光测高仪采用采样速率为2 GSa/s的高速采集仪对回波进行量化，全波形数据有助于分辨树冠和地面，可测量树高，为森林植被考察提供数据。高分七号卫星将为我国开展全球范围1∶10 000比例尺测绘工作提供技术支撑。

图18 高分七号卫星有效载荷Fig.18 Payload of GF-7 satellite

图19 高分七号卫星激光足印分布示意图Fig.19 Laser footprint distribution diagram of GF-7 satellite

2.2 国内发展现状及技术特点总结

从2007年嫦娥一号搭载的激光高度计成功开展月球三维地形探测至今，我国的空间主动光电载荷仅应用于激光对月和对地的三维高程探测，尚未实施对大气、海洋的空间主动光电探测研究，与国外相比还存在较大的差距。但在国家有关部门的支持下，部分研究机构已经开始开展针对大气、海洋等领域的空间主动光电遥感探测技术研究。例如：中国科学院上海光学精密机械研究所开展了基于1.57 μm脉冲激光器的空间对地二氧化碳浓度全球分布的载荷研制[30]；中国海洋大学启动了“观澜号”海洋科学卫星的关键技术研究，该卫星拟搭载1台工作于480 nm的海洋探测激光雷达，可应用于海洋浅表层浮游生物垂直分布探测；基于光子计数三维地形探测技术，中国科学院上海技术物理研究所成功开展了51波束的机载探测研究。总之，我国已在空间对地和对月少波束激光高程测量领域有所建树，但在单光子探测和大气海洋探测领域仍处于载荷研究阶段。

3 空间主动光电遥感技术发展趋势

空间主动光电遥感技术以其在距离、角度分辨率和光谱探测能力等方面的优势，仍会继续得到广泛应用。在地形探测领域，更高的分辨率和探测效率将是未来载荷的发展方向；在大气和海洋探测领域，需要发展新的探测手段，以获取更丰富、更精准的大气海洋参数。通过对国内外研究现状的分析，结合应用研究机构对新类型数据的需求，总结出以下技术发展趋势。

1) 多波束单光子三维地形探测技术。三维地形探测追求大角度和高距离分辨率，以获得细节更清晰的被测对象地形信息，未来三维地形探测激光雷达一定会向着连续分布的多波束方向发展。线性和单光子探测技术均能实现约厘米级的测距分辨率，但是单光子探测技术对单脉冲能量的要求更低，在同样的激光平均功率限制下，可提高激光的重复频率和波束数，增加星下点的沿轨和跨轨密度。ICESat-2卫星搭载的ATLAS载荷已经实现星下沿轨方向的几乎连续探测，但是对于跨轨方向，由于波束数有限，条带仍然较为稀疏，故在现有激光器技术受限的情况下，只有借助于单光子探测技术，空间对地激光三维地形探测载荷才能向更高波束方向发展。美国曾提出LIST(lidar surface topography)计划[31]，采用跨轨方向1 000波束激光，对星下5 km幅宽开展5 m水平分辨率的单光子探测，该载荷若能成功实施，则可实现真正意义的激光直接对地三维成像探测。

2) 近红外单光子探测技术。在同样单脉冲能量下，波长越长，光子数越多。对于三维地形探测，在反射率和探测器量子效率相差不大的情况下，采用更长的波长可降低单波束能量，提高激光重复频率或者波束数。近红外波段的太阳散射辐射小，对于某些类型地表(如植被、土壤)，近红外波段的反射率甚至要优于可见光，特别是目前应用最为广泛的Nd∶YAG激光器，其基频光1 064 nm也位于近红外波段，故突破高量子效率近红外单光子探测技术是进一步提高对地三维地形探测效率的重要途径，重点突破的探测波段包括1.06 μm和1.55 μm等，备选技术包括超导纳米线单光子探测技术、量子上转换单光子探测技术、InP基单光子探测器技术和碲镉汞单光子探测器技术等。

3) 水下地形与浮游生物垂直分布探测技术。传统的水色探测卫星利用成像光谱技术实现海洋叶绿素水平分布的探测，利用可穿透水体波段激光可将探测范围扩展到垂直方向，实现叶绿素垂直分布的探测，且可穿透水体波段激光雷达技术还可实现水下地形的探测，这对近海、岛礁测绘具有重要意义。

4) 高光谱分辨率激光雷达技术。对于大气或者海洋探测，回波信号同时受被测介质散射和衰减特征的影响，导致激光雷达方程中存在2个未知量，这对大气或者海洋要素垂直分布精度的探测有很大的影响。高光谱分辨率激光雷达技术利用光谱分辨率达到GHz量级的鉴频器件，分离大气中的Mie散射和Rayleigh散射，海洋中水体的布里渊散射与浮游生物的Mie散射可提高大气/海洋探测的定量精度，美国的OPAL(ocean profiling and atmospheric lidar)计划和欧洲的EarthCARE计划[32]均采用高光谱分辨率激光雷达技术，该技术也可应用于大气和海洋探测。高光谱分辨率激光雷达技术还是实现星载风廓线探测的重要途径，尽管欧洲太空局已将世界上第1颗激光测风卫星发射升空，但该卫星仅为试验卫星，未来世界各国仍将继续研究高光谱分辨率激光雷达技术，以推动激光测风卫星的实用化发展。

5) 差分吸收激光雷达技术。利用工作于特定气体吸收谱线的波长开展空间主动光电探测，以实现某些气体浓度的测量，进一步扩展空间主动光电载荷的应用领域。例如：欧洲太空局的WALES(water vapor lidar experiment in space)计划[33]，采用935 nm高能量脉冲激光开展空间大气水汽浓度廓线探测；欧洲的A-SCOPE(advanced space carbon and climate observation of planet earth)计划[34]和美国的ASCENDS(active sensing of carbon emissions over nights, days and seasons)计划[35]，均拟采用工作于157 nm波段的激光器，开展空间对地CO2浓度探测；欧洲的MERLIN(methane remote sensing lidar mission)计划[36]，拟采用1 650 nm波段的激光器，开展空间对地甲烷浓度全球分布探测。

6) 空间激光掩星探测技术。激光掩星探测是空间主动光电探测的重要应用方向之一。激光掩星探测原理如图20所示，利用2颗轨道面相同但旋转方向相反的卫星(1颗卫星发射激光，另1颗卫星对穿透大气层的激光能量和光谱特征进行测量)，可获取不同高度大气的温度、压强和特殊气体浓度等信息。如欧洲太空局的ACCURATE计划[37-38]计划利用2.0～2.5 μm波段激光器，开展5～40 km范围内的N2O，CH4，CO2，H2O，O3，CO及其同位素分子的探测。

图20 激光掩星探测原理示意图Fig.20 Schematic diagram of laser occultation detection

7) 新类型激光器技术。预计在未来很长一段时间，半导体泵浦的Nd∶YAG激光器仍会是空间主动光电遥感载荷的主要激光器方案，但需要在激光器单频性、频率稳定性等指标上有所突破，以满足新型载荷的需求。此外，特殊波段单频激光产生技术也是未来的重点研究目标。

4 对我国发展空间主动光电遥感的建议

相比欧洲和美国，我国在空间主动光电探测领域的技术水平仍相对落后，特别是在激光器技术领域，还没有单频激光器和紫外到可见光波段激光器的空间应用经验，应用于空间差分吸收激光探测的特殊波段激光器研究也处于起步阶段[30]。在大口径望远镜研制领域，我国已经能自主研制满足未来空间对地主动光电探测的1～2 m口径SiC望远镜[39]，但在探测器领域，我国和国外相比仍然有一定的差距，特别是在单光子探测器领域，我国对进口器件的依赖性还较强。在应用于红外波段的超导纳米线单光子探测器[40]等领域，我国也取得了一定的突破。对于发展我国空间主动光电遥感技术，有以下建议：

1)开展多波束单光子三维地形探测在轨应用研究。ICESat-2卫星已展示了多波束单光子技术在三维地形探测领域的优势，该技术也是在现有激光器水平下实现高密度对地三维地形探测的唯一技术。建议重点发展阵列单光子探测器，特别要研究红外单光子探测器在该技术体制下的应用。

2)开展基于高光谱探测技术和差分吸收技术的空间主动光电对地观测技术研究。高光谱探测技术是提高气溶胶和云定量化精度的重要手段，差分吸收技术则是实现二氧化碳、甲烷和水汽等特殊气体浓度探测的唯一途径，这2种技术的研究周期较长，需要在激光器、滤光片和探测器领域投入一定的资源，但是它们是提高气溶胶、云遥感的定量化精度，实现高精度特殊气体浓度探测的重要手段。

3)开展激光掩星探测技术研究。激光掩星探测技术对激光器能量和望远镜口径的资源要求较低，能以较低的成本实现高精度的大气廓线探测，探测参数包括温度、湿度、压强和特殊气体浓度等，探测高度覆盖中高对流层到平流层，故技术消耗资源较少，可为其他探测同类参数的载荷提供基准数据。

4)开展空间主动光电海洋探测技术研究。海洋面积占全球面积的70%，了解海洋浅表层的碳源、碳汇过程对人类研究全球变化具有非常重要的意义。可穿透水体波段的激光雷达，是唯一可实现海洋浅表层生物质垂直分布探测的技术手段，其在轨应用有助于提高碳循环研究中海洋模型的精度。

5 结束语

空间主动光电遥感技术在三维地形探测、大气探测和海洋探测等领域具有重要作用，国内外利用该技术开展了很多卓有成效的在轨应用研究。我国在该领域也取得了一定成就，但是与国外相比仍存在一定的差距，特别是在大气探测领域，目前仍是空白。

本文分析了目前国内外空间主动光电遥感技术研究现状和特点，发现国内外已经开展的载荷应用主要集中在地球和其他星体的三维地形探测、地球大气气溶胶和云探测。为提高点云密度和探测效率，三维地形探测正在向多波束单光子探测技术体制方向发展，通过发展新的大气探测技术，实现风场、特殊气体浓度等多参数的探测。通过梳理目前的载荷技术，提出我国应在多波束单光子三维地形探测、高光谱分辨率激光大气探测、差分吸收激光大气探测、激光掩星大气探测和激光海洋探测等领域积极开展空间应用研究，以提高我国的空间主动光电遥感载荷应用水平。