大气环境监测卫星激光雷达技术

陈卫标，刘继桥，侯 霞，臧华国，马秀华，万 渊，竹孝鹏

（1.中国科学院上海光学精密机械研究所 中科院空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800；2.中国科学院上海光学精密机械研究所 航天激光工程部，上海 201800）

0 引言

2013 年雾霾天气频发，在此背景下国务院在2013 年9 月发布了“大气十条”行动计划，目标是经过5 年努力实现全国空气质量总体改善，重污染天气较大幅度减少［1］。卫星是获取全球空气质量的重要手段，一般通过成像光谱仪获取可见光大气光学厚度来评估空气质量。由于卫星被动遥感设备不能分层，光谱图像中不能有效区分云和气溶胶光学厚度，因此获得的大气光学厚度同PM2.5相关性低，容易造成误报。星载激光雷达可以获取全球气溶胶和云的垂直廓线［2-4］，有效剔除云的干扰，获取精确的气溶胶光学厚度，从而提高空气质量监测精度。同时激光雷达获取的气溶胶廓线，结合被动遥感载荷数据，可以进一步提高被动载荷空气质量监测的精度。

目前全球大气温度相对工业革命前升温约1.1 ℃，全球变暖已是实事。大气CO2是引起温室效应的主要温室气体，在全球气候变化中扮演重要作用，过去60 年全球主要温室气体CO2浓度增加约30%。对于全球气候变化影响重要的大气环境要素就是温室气体CO2和CH4，以及大气气溶胶和云，其中CO2和CH4是全球变暖最主要的温室气体［5］。星载全球CO2浓度探测，被认为是量化局部CO2源和汇的有效方法，可更好地理解碳循环不同成分之间的联系。高精度测量全球温室气体浓度分布，获取大范围区域碳排放，是自上而下校核各国温室气体排放量的重要手段。全球温室气体卫星遥感监测主要包括被动和主动方法，被动卫星容易受云和气溶胶的干扰，有效数据全球覆盖约5%～10%［6-7］，测量精度相对较低（（2～4）×10-6）。温室气体主动监测的星载激光雷达，穿过云的几率高，基本不受气溶胶影响，因此有效数据全球覆盖率超80%，最有希望实现全球CO2柱浓度1×10-6高精度测量。

国际上全球气溶胶廓线的激光雷达探测，最有代表性的是美国航空航天局（NASA）在2006 年发射的CALIPSO（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations）卫星大气探测激光雷达CALIOP（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization）［8］，目前已经在轨工作16 a，证明了星载激光雷达在轨长寿命和高可靠的工作能力。在2022 年的国际激光雷达会议上，NASA 的科学家宣布由于卫星和载荷性能下降，计划2023 年下半年关机，从而结束使命。在后续的规划中，NASA 计划在2028 年发射后向散射激光雷达，2030 年发射高光谱探测激光雷达（High Spectrum Resolution Lidar，HSRL）。欧空局首个气溶胶和云探测激光雷达ATLID（ATmospheric LIDar）计划2024 年发射，采用了355 nm 发射激光和高光谱探测体制［9］。

关于温室气体星载激光探测，2007 年美国NASA 地球科学观测十年规划中提出了全球CO2测量激光雷达卫星ASCENDS（Active Sensing of CO2Emissions over Nights，Days，&Seasons）［10］，原计划2016 年完成，目前推迟到2030 年以后。2009 年欧空局（European Space Agency，ESA）地球探测任务提出了全球CO2测量激光雷达卫星A-SCOPE（Advanced Space Carbon and Climate Observation of Planet Earth）概念［11］，后来由于难度大被搁置。为了验证温室气体激光主动遥感技术，德国宇航局同法国空间局合作，开展了全球温室气体CH4浓度测量星载激光雷达MERLIN（Methane Remote Sensing Lidar Mission）研制［12］，原计划2019 年发射，目前发射计划推迟到2027 年。

针对环境监测和气候变化研究重要需求，实现全球范围空气质量（气溶胶颗粒物浓度PM2.5）和主要温室气体CO2浓度高精度监测，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（Aerosol and Carbon Dioxide Detection Lidar，ACDL）是大气环境监测卫星主载荷，分系统主要任务是通过激光探测沿卫星运动轨迹探测全球大气气溶胶和云的高分辨垂直剖面，观测大气气溶胶、云的光学特性，研究其在监测空气质量及全球气候变化中的影响及作用；全天时获得卫星轨迹方向全球大气CO2柱浓度分布信息，为CO2源和汇的确定提供量化的科学数据［13］。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。本文主要介绍了DQ-1 卫星大气探测激光雷达的主要原理和组成、性能参数以及未来温室气体遥感发展的展望。

2 大气激光雷达探测原理

DQ-1 卫星大气探测激光雷达采用高光谱探测技术测量大气、气溶胶和云光学特性参数［14-15］，采用路径积分激光差分吸收技术测量CO2柱浓度［16］，在一套大气探测激光雷达中集成了2 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532、1 064 和1 572 nm 三波长双脉冲激光，满足气溶胶云廓线以及CO2柱浓度同时测量需求。

对于CO2柱浓度测量，采用1 572 nm 脉冲激光积分路径差分吸收激光雷达方法，使用双波长（λon、λoff分别对应吸收线强的区域和吸收弱的区域）激光测量CO2柱浓度，如图1 所示。2 个波长的吸收截面σ 不同，通过两波段脉冲激光吸收的差异获得CO2柱浓度。为了保证长期工作稳定性，获取高精度观测数据，λon和λoff均需锁定在CO2吸收线上，其中λon脉冲激光频率锁定精度要求为0.6 MHz。

图1 大气探测激光雷达CO2柱浓度积分差分吸收探测原理Fig.1 Principle of CO2 column concentration measurement by the ACDL with the IPDA method

对于气溶胶和云垂直廓线测量，分别采用激光雷达（532 nm）、高光谱分辨探测方法（532 nm）、双波长后向散射方法（1 064 nm）和偏振接收方法（532 nm），测量大气气溶胶、云的高垂直分辨和高精度的光学特性参数剖面，获得的数据产品包括：气溶胶消光系数剖面、散射系数剖面、激光雷达比、光学厚度、混合层高度、云顶高度和云的垂直廓线等重要的大气环境参数。另外，结合地面气象数据等辅助数据进一步反演PM2.5浓度分布，同时给被动观测载荷提供混合层高度测量数据，主被动结合提高被动卫星的PM2.5反演精度。激光雷达532 nm 高光谱探测，选取了碘分子滤波器，探测原理如图2 所示，不用假定激光雷达比直接可以获取气溶胶的光学参数剖面，具有高的测量精度。而传统的后向散射激光雷达，如CALIOP 激光雷达，需要假定全球不同区域的激光雷达比，反演气溶胶误差相对较大。通过系统参数优化后，激光雷达532 nm 高光谱探测选取了碘分子的1110 吸收线［14］，同时发射的532 nm 脉冲激光频率需要锁定在碘分子吸收线上，长期稳定性要求小于10 MHz。

图2 大气探测激光雷达高光谱气溶胶探测原理Fig.2 Principle of atmospheric aerosols measurement by the ACDL with the HSRL technique

3 激光雷达基本组成

激光雷达系统功能组成如图3 所示，主要由光机头部和电子学单机两大部分组成。其中光机头部主要包括激光发射源、接收望远镜和接收光学单元等。激光雷达同时输出三波长（532 nm/1 064 nm/1 572 nm）激光，为单波束双脉冲。双频参考机实现1 572 nm 和1 064 nm 的双波段连续种子激光的稳频和锁频，而脉冲激光器发射激光频率同种子激光频率相对锁定。发射激光经过中继镜和终端扩束镜压缩发散角后发射，同时部分发射1 572 nm 激光通过积分球接收由接收光学单元的1 572 nm 通道探测器接收［17］。激光雷达设计寿命8 a，按照要求可开机连续工作。

图3 DQ-1 卫星大气探测激光雷达系统功能组成Fig.3 Schematic diagram of the ACDL for the DQ-1 satellite

激光雷达收发同轴，接收望远镜同时接收三波长激光的大气气溶胶、云及地面回波后向散射光，进入接收光学单元。激光雷达在轨对发射光轴指向进行调节，实现收发光轴完全匹配，同时设计了视轴监视单元对激光雷达发射光轴、接收光轴以及相对星敏感器光轴进行实时测量［18］。接收光学单元，由1 572 nm 测量CO2通道、1 064 nm 气溶胶和高程测量通道、532 nm 气溶胶测量通道以及视轴监测单元组成。532 nm 接收通道，包括高光谱探测通道、参考平行通道和垂直偏振通道。1 064 nm 通道，接收云和气溶胶的回波信号，同时测量地面高程。

电子学单机包括主控电路箱、头部电控箱、数采电路箱、温控仪、激光器功放驱动箱、100 V 电源配电器以及28 V 电源配电器组成，主要实现平台通信控制、激光驱动控制、探测供电、信号采集、温度控制以及电源配电等。

激光雷达单机配置见表1，核心单机光机头部模装结构设计如图4 所示。通过复合材料的碳纤维结构框架同卫星基板连接，同时辐冷板安装在光机头部上对内部的激光器进行有效散热。

表1 大气探测激光雷达单机配置表Tab.1 Subsystem prototypes configured in the ACDL

图4 激光雷达光机头部设计模装Fig.4 Opto-machine subsystem design of the ACDL

激光雷达主要技术参数见表2。激光雷达在轨根据任务要求，连续开机工作。主要工作模式包括待机模式、探测模式、定标模式、在轨存储模式以及在轨除气模式。

表2 激光雷达系统主要技术参数Tab.2 Main technical parameters of the ACDL

4 激光雷达载荷研制

4.1 激光雷达载荷硬件研制

激光雷达主要由光机头部和8 台电单机组成，其中光机头部为激光雷达的核心单机。激光器是激光雷达光机头部的核心子单机，要求发射单频、窄线宽和长期稳频的脉冲1 572 nm 和532 nm 激光，它们是实现CO2浓度1×10-6高精度探测以及高光谱气溶胶探测的关键。为了满足激光雷达精确探测需求，要求1 572 nm 的激光频率稳定性（rms）小于0.6 MHz，532 nm 激光频率稳定性（rms）小于10 MHz。激光器由双频参考机和三波长脉冲激光器组成，双频参考机实现1 572 和1 064 nm 波段的单频、稳频连续激光输出，采用PDH 稳频技术分别将1 572 nm 波长激光锁定在CO2吸收线和碘分子吸收线［19-20］。1 572 nm 脉冲激光通过光学参量振荡器（Optical Parametric Oscillator，OPO）和光学参量放大器（Optical Parametric Amplifier，OPA）实现双波长、双脉冲和高能量激光输出，其中脉冲激光器波长同双频参考机1 572 nm 波长实现频率锁定［21］，采用气体吸收池对1 572 nm 脉冲激光光谱纯度进行了测试［22］。三波长脉冲激光器的1 064 nm 脉冲激光器同双频参考机1 064 nm 连续激光实现波长锁定，倍频后获得532 nm 脉冲激光。最终，1 台激光器同时实现532 nm、1 064 nm 和1 572 nm 三波长脉冲激光输出。

测试双频参考机1 572 nm 参考激光波长的频率稳定性结果及其阿伦偏差如图5 所示，10 000 s 的阿伦偏差小于30 kHz。对于1 064 nm 激光频率稳定性，受限于测试条件限制，采用高精度的波长计（HighFinesse WS8）进行测试，测试3 h的波长变化如图6所示，频率变化的标准偏差为0.8 MHz@rms。

图5 1 572 nm 单频种子激光频率稳定性测试Fig.5 1 572 nm single frequency seeder frequency stability measurement

图6 单频1 064 nm 种子激光器频率稳定性测试Fig.6 Frequency stabilization measurement by the 1 064 nm seeder laser

1 572 nm 脉冲激光频率稳定性监测结果如图7所示，脉冲频率稳定性为0.4 MHz@rms，满足0.6 MHz@rms 频率稳定性指标要求。

图7 1 572 nm 脉冲激光频率稳定性测试Fig.7 Frequency stabilization measurement by the 1 572 nm pulse laser

2021 年完成了激光雷达光机头部正样的研制，如图8 所示，其中辐冷板安装在激光雷达的框架上，主要对激光器进行散热。载荷正式发射前，开展了机载校飞试验，为星载数据反演提供了真实数据源，并验证了激光雷达大气CO2柱浓度和气溶胶的高精度测量能力［23-25］。

图8 激光雷达光机头部Fig.8 Opto-machine head of the ACDL

4.2 激光雷达CO2浓度测量实验室定标

对于星载CO2测量激光雷达，CO2柱浓度定标很难在室外环境测试，同时高能量的激光雷达对于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。该定标装置利用带光学窗的密封腔体充注不同浓度CO2的方式，来模拟整层大气对星载激光CO2吸收过程。该项装置成功为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CO2柱状浓度能够实现1×10-6的高测量精度［25-26］。激光雷达CO2浓度测量定标装置和测量定标结果如图9 和图10所示。

图9 激光雷达CO2浓度测量定标装置Fig.9 Schematic diagram of the ACDL calibration system

图10 激光雷达CO2浓度测量定标结果Fig.10 Calibration results of CO2 concentration obtained by the ACDL

5 激光雷达在轨遥感数据

大气探测激光雷达国际首次采用高光谱激光探测技术，通过对大气进行分层“CT”扫描，实现全球气溶胶光学参数、形状和尺寸等垂直分布信息的精确获取。卫星穿过撒哈拉沙漠地区532 nm 波段气溶胶衰减后向散射系数示例如图11 所示，能清晰地看到气溶胶和云的高分辨率垂直廓线，黄色为较强的气溶胶垂直分布，南极高空云垂直分布也清晰可见。一整天约14.6 轨的白天和晚上沿轨方向全球CO2柱浓度分布如图12 所示，可以看到星载激光雷达首次获得全球晚上、首次获取全球南北两极的高精度CO2柱浓度数据。

图11 激光雷达532 nm 波段气溶胶衰减后向散射系数廓线遥感数据Fig.11 Attenuated backscatter coefficient profiles of aerosols obtained by the ACDL at 532 nm

图12 激光雷达测量1 d 14.6 轨的CO2柱浓度分布Fig.12 CO2 column concentration distribution measured by the ACDL in one day

6 未来发展趋势与展望

DQ-1 卫星大气探测激光雷达国际首次实现了全球CO2柱线浓度全天时高精度测量，设计的50 km 分辨率重访周期为51 d。高精度温室气体监测（DQ-2）卫星也装载了同样的大气探测激光雷达载荷，计划2024 年发射后同DQ-1 卫星组网，组网后对于全球大气观测，时间分辨率提高了1 倍，50 km分辨率重访周期约25 d。为进一步提高全球观测时间分辨率，设计5 颗组网卫星将时间分辨率提高到10 d，更好地满足全球CO2浓度高时频和精确测量需求，更好地服务于国家“双碳”战略。

甲烷是CO2外的第二大温室气体，其对温室效应的贡献在全部温室气体中约占到30%，同时还是臭氧等重要污染气体的前体。全球变暖导致的青藏高原冰冻圈缩小释放甲烷，农业和畜牧业生产的扩大也加速了甲烷的排放，全球甲烷浓度的测量对于全球气候变化研究非常重要，也是温室气体总排放量计算需要获取的重要大气成分，在“双碳”战略中也具有重要意义。未来的星载载荷有必要利用激光主动遥感手段全天时、高精度的测量全球甲烷柱浓度。

针对多种主要温室气体全球高精度遥感，对于新一代环境监测卫星，需要发展新型的温室气体探测激光雷达载荷，同时实现全球CO2柱浓度和CH4柱浓度的高精度测量，将在全球气候变化研究中发挥重要作用、产生重要影响。

7 结束语

大气环境监测卫星大气探测激光雷达载荷于2022 年4 月16 日成功发射，在国际上首次实现全球高精度CO2浓度和气溶胶联合测量，为国际首个星载CO2探测激光雷达和首个高光谱气溶胶探测激光雷达，实现了中国星载大气环境遥感激光雷达的国际创新跨越。激光雷达在轨测试实现了高精度遥感数据反演，验证了CO2柱浓度测量精度优于1×10-6，气溶胶垂直廓线测量精度优于20%、垂直分辨率优于30 m。特别对于全球温室气体CO2浓度测量，首次获得了晚上的全球CO2柱浓度，首次获得南北两极的CO2柱浓度，首次实现了优于1×10-6的精度，为全球碳源、碳汇估算提供精准数据，助力“双碳”国家战略的实施。高精度的气溶胶和云廓线数据将在气象研究以及空气质量预报和监测等领域发挥重要作用。今后将进一步开展激光雷达星地对比测试，升级数据处理和反演方法，积极推进数据产品及其应用研究，加强国际合作，扩大数据产品国际影响力。