星载二氧化碳探测研究进展

卜令兵，王凤阳，安 宁，王 勤，郭 丁，索 乐

（1.南京信息工程大学 气象灾害预警与估协同创新中心，江苏 南京 210044；2.上海卫星工程研究所，上海 201109；3.中国空间技术研究院，北京 100094；4.国家国防科技工业局 重大专项工程中心，北京 100101）

0 引言

在过去几十年中，随着人类活动加剧，各类化石燃料的消耗增大，大气中温室气体的浓度也在逐年递增。政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次评估报告指出，人类活动对全球温度升高有很大影响，较工业革命前升高了约1.0 ℃，海平面上升速度和冰川退缩速度前所未有［1］。由于全球升温，导致干旱、强降水、洪水等各类极端天气数量增多。气候变化对全人类生存的影响很大，难以忽视。提高气候变化的应对能力，对于全球国家而言十分重要。在2020 年，第七十五届联合国一般性辩论中，中国提出了“双碳”目标［2］，力争在2030 年前达到碳达峰，2060 年前实现碳中和，并在2021 年正式上线了全国碳排放权益交易市场。该措施正是为了有效减少CO2排放，推进绿色低碳发展。因此，有效准确地获取全球范围CO2的高精度时空分布至关重要。只有了解CO2源和汇的分布，才能实施精准措施开展针对性的治理，才能够有效减少CO2的排放。

为了准确了解人类活动排放的CO2，对其进行有效的预测和控制，已经有多种监测CO2的方法。现代大气中早在1957 年就开始进行CO2浓度的监测，在毛纳洛亚山顶使用烧瓶获取大气CO2的背景浓度［3］。美国大气海洋局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）地球系统研究试验室（Earth System Research Laboratory，ESRL）组织建立了全球温室气体观测网络（Global Greenhouse Gas Reference Network，GGGRN），包括4 个基准站、8 个高塔站和分布在全球50 多个空气采样站［4-6］。2004 年，国际科学家组织建立了全球CO2浓度观测网（Total Carbon column Observing Network，TCCON），由多个国家的地面站点组成，搭载近红外光谱观测的傅里叶变换光谱仪，我国的合肥站和香河站处于观测网络中［7］。2021 年，中国气象局发布了我国第一份国家温室气体观测网名录［8］，覆盖全国主要气候关键区，能够实现高精度测量，60 个站点包括国家大气本底站、国家气候观象台和国家及省级应用气象观测站，观测要素涵盖CO2等7 类温室气体。除了地面站点观测外，机载飞行搭载大气采样系统也是一种探测CO2的手段，利用飞机搭载大气采样系统收集大气样本进行气体分析也有报道［9-12］。

地基站点和机载飞行采样的探测方式虽然能够获得精度较高的CO2气体浓度数据，但是由于站点数量受限和飞行区域范围不够大，导致测量数据密度不高，地形覆盖面积不广。相对于上述方式，卫星遥感的方法能够获取进行全球范围内较高精度CO2探测数据，对于CO2的时空分布能够更好地进行监测。目前被动卫星遥感的技术已经十分成熟，但由于依赖于太阳光，并受云和气溶胶的影响，所以数据有效率不高。因此，主动遥感与被动遥感卫星相结合是后续发展的主要趋势，同时有必要利用地面站点的高精度数据对卫星数据进行验证。本文将对CO2探测的星载被动遥感卫星进行比较描述，并对主动遥感卫星的研制工作和发展现状进行介绍。

1 被动遥感测量

被动遥感原理主要是通过测量太阳近红外光谱来实现CO2浓度的反演。目前，利用被动遥感卫星进行太阳光后向散射光谱反演的技术已经十分成熟，全球多个国家也相继发射了一系列搭载被动遥感探测仪器的卫星，主要有欧洲航天局发射的ENVISAT（Environmental Satellite）；日本宇宙航空研发机构发射的GOSAT（The Greenhouse Gases Observing Satellite）、GOSAT-2（The Greenhouse Gases Observing Satellite-2）；美国国家航空和航天局发射的OCO-2（The Orbiting Carbon Observatory-2）、OCO-3（The Orbiting Carbon Observatory-3）；中国发射的Tan Sat（The Chinese Carbon Dioxide Observation Satellite）。这些卫星搭载的探测器通过对太阳光近红外波段的光谱信息进行分析，从而获取探测CO2的浓度信息。

欧洲航天局于2022 年3 月发射了环境卫星ENVISAT，搭载大气扫描成像吸收光谱仪（Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography，SCIAMACHY）［13］。SCIAMACHY仪器由反射镜系统、望远镜、光栅光谱仪、温控子系统和电子子系统这5 个部分组成，采用星下点或临边观测模式，可在240～2 400 nm 光谱区域范围内测量散射、反射和透射的太阳辐射光谱，通过8 个通道对几种典型温室气体，大气温度、压强，太阳光谱进行测量。其中通道6 用于CO2测量，测量光谱区域为970～1 772 nm，光谱分辨率为1.4 nm。2012 年，SCHNEISING 等［14］利用WFM-DOAS 算法反演SCIAMACHY 数据，并与TCCON 站点的结果进行比较，CO2柱浓度（Column-averaged Dry-air Mole Fraction of Carbon Dioxide，XCO2）的区域精度约为2.2×10-6，在半径为500 km 的范围内月平均相对精度为1.1×10-6～1.2×10-6，能够为地面站点稀疏的区域提供信息［14］。ENVISAT 已经于2012 年4 月停止运行。

日本宇宙航空研发机构于2019 年1 月发射了温室气体卫星GOSAT［15］，用于CO2和甲烷（CH4）的测量，轨道高度为666 km，轨道倾角为98°，重访周期为3 d。GOSAT 卫星上搭载用于碳观测傅里叶变换光谱仪（Carbon Observation Fourier Transform Spectrometer，TANSO-FTS）和云和气溶胶成像仪（The Cloud and Aerosol Imager，TANSO-CAI）。TANSO-FTS 能够检测地球表面反射的短波红外辐射（Shortwave Infrared Radiation，SWIR）和从地面及大气发射的热红外（Thermal Infrared Radiation，TIR）辐射，用来进行CO2、CH4和水汽（H2O）等气体的探测，在近红外波段有3 个窄带（0.76、1.60 和2.00 μm；TANSO-FTS 波段1、2 和3），一个宽热红外带（5.5～14.3 μm；TANSO-FTS波段4），光谱分辨率为0.2 cm-1。TANSO-FTS 包括3 个探测波段，其中心长为0.76 μm 称为O2A 带，用于探测O2浓度并用于转化CO2混合比，第2 个和第3 个均为探测CO2的通道，探测波段分别为1.56～1.72 μm 和5.5～14.3 μm，结合3 个通道可以获取CO2的柱浓度。GOSAT 在大多数的观测中，XCO2反演精度不超过1%，但能够用于反演分析的场景只有3%［16］。2016 年，KUZE 等［17］报告了2009 年2 月到2015 年6 月的数据产品结果，CO2和CH4的柱浓度典型精度分别为2×10-6（0.5%）和13×10-9（0.7%），相较于2011 年YOSHIDA 等［16］报道的XCO2和甲烷柱（XCH4）（3.5×10-6，15×10-9）的精度有所提升。GOSAT-2 于2018 年10 月发射，轨道高度613 km，倾角为98 °，重访周期为6 d。经过数据校准，GOSAT-2 的探测结果与校准数据保持一致，能够满足观测。与GOSAT 相比，SWIR 的光谱覆盖范围扩大到2.3 μm，以此来获得更好的观测能力，测定1.6、2.0、2.3 μm 的XCO2，视场更大（穿轨方向达±40°，超过FTS 的±20°）［18］，信噪比更高，增加了一个完全可编程的指向系统，以扩展观测控制能力。该系统允许操作人员指向地球表面的任何位置，每天对观测地点进行观测和管理［19］。2022 年6 月，GOSAT 卫星全球XCO2分布结果，如图1 所示。

图1 2022 年6 月GOSAT 卫星全球XCO2分布Fig.1 Global XCO2 distribution measured by the GOSAT satellite in June 2022

美国国家航空航天局于2014 年7 月成功发射碳观测卫星2 号（Orbiting Carbon Observatory-2，OCO-2），搭载了3 台高分辨率光栅光谱仪［20-21］，卫星轨道高度为705 km。OCO-2 卫星在3 个近红外光谱区域进行测量：第1 个区域在中心波长为0.765 μm 附近的O2A 通道；第2、3 个区域分别在中心波长为1.61 和2.06 μm 附近的CO2吸收通道，光谱分辨率最高可以达到0.04 nm。该3 个通道分别被命名为ABO2、WCO2和SCO2。O2A 通道观测光谱主要是将CO2分子柱浓度转化为XCO2。3 个通道光栅光谱仪具有相似的光学合计，共用一个焦距为200 mm 的F/1.8 的卡塞格林望远镜。每个光谱仪每秒收集24 条光谱曲线，每天在阳光照射的半球区域内获取100 万观测值，但由于气溶胶和云的影响，OCO-2 每天获取的XCO2估计值数量大概只有观测值的10% 左右，长期误差在3×10-6以内［21］。经过滤波和偏差修正，与地面TCCON 站点相比，绝对中值差小于0.4×10-6［22］。2019 年5 月，OCO-3 卫星搭载OCO-2 卫星的备用光谱仪发射升空，与OCO-2 相比，受低轨道倾角的限制，只能观测南北纬52°之间的地区。相较于OCO-2，除了天底（nadir）、目标（target）、耀斑（sun-glint）这3 种模式外，增加了一种“快照区域映射模式（Snapshot Area Mapping Mode，SAM）”，多了三维扫描的能力。2020 年，TAYLOR 等［23］报告了OCO-3 的数据产品，在天底、目标和耀斑模式下，均方根误差分别为等于1×10-6、1×10-6、2×10-6。2022 年6 月OCO-2卫星全球XCO2分布结果，如图2 所示。

图2 2022 年6 月OCO-2 卫星全球XCO2分布Fig.2 Global XCO2 distribution measured by the OCO-2 satellite in June 2022

中国同样开展了一系列用于观测CO2卫星的研制工作。2016 年，我国成功发射全球CO2观测卫星Tan Sat［24］，轨道高度为705 km，升交点为地方时13：30。Tan Sat 卫星有天底、耀斑、目标这3 种观测模式，主要载荷为高光谱分辨率大气CO2光栅光谱仪（Atmospheric Carbon dioxide Grating Spectrometer，ACGS）和云和气溶胶偏振成像仪（Cloud and Aerosol Polarimetry Imager，CAPI）［25］。ACGS 是Tan Sat 的主要仪器，用于测量O2A 波段（758～778 nm）和2 个CO2波段（1 594～1 624 nm、2 041～2 081 nm）的近红外后向散射太阳光。光谱分辨率分别为0.044、0.12和0.16 nm。LIU 等［26］在2017年介绍了Tan Sat 卫星和TCCON 地面站点的XCO2比较结果，选取Tan Sat 天底模式下的测量结果与8 个TCCON 站点进行比较，结果表现良好（4×10-6以内），精度优于1%。初步结果能够满足了Tan Sat 卫星的精度要求。2018 年公布了基于TANSAT 的全球XCO2结果图如图3 所示，数据时间为2017 年4 月和7月，可以看到北半球XCO2的季节性变化，以及中国东部、美国东部和欧洲工业地区活动、化石燃烧等人为活动导致的CO2明显排放［27］。2021 年，HONG等［28］校准了Tan Sat 太阳闪烁模式光谱，获取了全球陆地CO2总垂直密度（VCD）和XCO2，并与TCCON、GOSAT、OCO-2 的CO2反演结果进行了综合验证，与TCCON 地基FTIR 测量结果相比，两者具有良好的一致性，平均偏差为-0.78×10-6，标准差为1.75×10-6，相关系数为0.81，另外，GOSAT 和OCO-2 对Tan Sat的CO2验证结果显示，CO2VCD 和XCO2的时空变化趋势一致。对上文介绍的被动遥感卫星的系统参数进行总结，见表1。

表1 被动遥感CO2主要卫星参数对比Tab.1 Comparison of the main satellite parameters of passive remote sensing of CO2

图3 2017年4月（a）和7月（b）Tan Sat卫星全球XCO2分布［27］Fig.3 Global XCO2 distributions measured by the Tan Sat satellite in（a）April 2017 and（b）July 2017［27］

2 主动遥感技术

被动遥感技术十分成熟，目前在轨的被动遥感卫星已经能够获得精度较高的数据产品，但是由于被动遥感观测需要依赖太阳光，不能在夜晚和高纬度地区及两极进行观测，且被动遥感方式容易受到云和气溶胶的干扰，导致获取数据量较少。为了能够更加准确地探测自然和人为的CO2源和汇，进行长期稳定覆盖全球范围内精准的CO2测量至关重要。

主动遥感原理是以激光雷达发射连续激光或者脉冲激光作为激光光源，接收大气分子和气溶胶的后向散射信号或者云和地面硬目标的反射信号进行气体信息的探测。与被动遥感方式相比，主动遥感不需要依靠太阳光，能够在太阳高度角较低甚至黑夜中进行连续观测，此外，主动遥感能够覆盖陆地和海洋，弥补冬季对南大洋观测的不足。差分吸收激光雷达作为一种主动遥感设备，最早被用于探测几种痕量气体，包括二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、H2O 等［29-32］。差分吸收激光雷达探测时选用2 个波长，称为online 和off-line，或者多个on 和off 的波长，通过比较2 个波长的吸收差异，进而反演出待测气体的浓度，差分吸收激光雷达不但能够获取CO2的柱浓度，还能获取浓度分布的廓线，同时由于激光能量高，受到云和气溶胶的干扰小、信噪比高，其更高的空间分辨率也可以监测局部的强CO2梯度，能够加强对复杂地形的探测。通过穿过碎云间隙和对云顶进行测量，能够提高测量密度，另外，可以获取CO2的剖面信息，能够对表面通量进行更直接的量化。目前各国卫星计划搭载的差分吸收激光雷达为路径积分式［33］。

目前，主要提出发射搭载主动探测激光雷达的卫星有美国的ASCENDS（Active Sensing of CO2Emission over Nights，Days，and Seasons）计划［34］、欧空局的A-SCOPE（Advanced Geospatial Carbon and Climate Observations）计划［35］，以及我国的大气环境监测卫星［36］。其中我国的大气监测卫星一号已经于2022 年4 月16 日北京时间2：16在山西太原卫星发射场成功发射，目前已经开机运行。

2.1 ASCENDS 任务

2007 年，美国国家研究委员会在地球科学十年调查报告中提出了在夜间、白天和季节下进行CO2的主动遥感任务，称为ASENDS 任务［34］，原本计划于2016 年发射，目前已延迟发射。陆地水平分辨率为100 km 海洋地面水平分辨率为200 km，预计轨道高度为500 km，望远镜口径为1.5 m，单脉冲能量为3 MJ，激光脉冲宽度为1 μs，累积平均时间为10 s［33］。自ASENDS 计划提出后，NASA 开始支持开发路径积分式差分吸收激光雷达（Integrated Path Differential Absorption Lidar，IPDA）相关的技术并开展相应的机载实验，目的是为后续的主动遥感卫星搭载的IPDA 激光雷达提供候选方案。

2010 年，NASA 戈达德飞行中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）报道了一种脉冲差分激光吸收雷达系统［37］，该激光雷达系统采用双波段脉冲激光吸收光谱仪和集成路径差分吸收激光雷达技术，使用2 个可调谐脉冲激光器，能够测量来自1 570 nm 的CO2吸收线的吸收、O2A 波段的氧气吸收以及统一路径的表面高度和大气后向散射。主激光器的中心波长为1 572.335 nm 的R16 吸收线，此处的温度敏感性较低，以30 或15 波长顺序地锁定波长，并使激光脉冲跨越1 572.33 nm 的CO2线。研究人员分别在2011、2014、2016 年进行了机载飞行实验。2016 年飞行试验雷达系统参数对比，见表2。

表2 2016 年机载飞行试验雷达系统参数Tab.2 Parameters of the airborne flight test radar system in 2016

相较于2011 年，接收器由光电倍增管探测器（PMT）改为灵敏度更高的16像素碲镉汞雪崩光电二极管激光雷达探测器（16-element HgCdTe APD lidar detector），改进了接收机的传输方式，模拟输出由模拟数字化仪记录，激光发散角和接收机视场也增加。2014 年和2016 年的机载实验中，地表类型包括植被覆盖的矮山、雾霾的沙漠地区、农田及高原和农田之间的区域、冷雪及晴空沙漠，在大部分区域进行了螺旋下降，并将激光雷达反演结果与原位测量仪的CO2柱浓度进行比较。机载飞行总结见表3。2014年和2016年数据平均时间范围分别为10、1 s，激光雷达反演结果与机载原位测量仪的平均结果一致，在1×10-6以内。2016 年在10 km 的飞行高度下激光雷达对沙漠表面测量的反演结果精度在1 s内的平均时间为0.8×10-6，与2011 年结果比较，精度提高了8 倍；10 s 的平均时间激光雷达的反演精度为0.3×10-6。使用了3 种激光设置，雪地上的测量结果也与原位测量的XCO2保持了较好的一致性，精度在1×10-6内，由于积雪表面的反射率较低，在雪面测得的XCO2的标准偏差比沙漠表面高出3倍左右［38］。

表3 机载飞行实验总结Tab.3 Summary of the airborne flight experiments

从2007 年开始，美国宇航局兰利研究中心和哈里斯公司合作进行开发和测试激光雷达技术，关键技术是开发一种基于IPDA 测量原理的强度调制连续波（IM-CW）激光吸收光谱仪（LAS），用于高精度的XCO2测量［39］。LAS 系统包括激光发射器、接收望远镜、数据采集系统和信号处理单元。IM-CW 雷达发射器使用一个5 W 的掺铒光仟放大器，发出3 个强度调制连续激光，激光的波长分别为1 571.112 nm 的on-line、1 571.061 nm 的off-line1 激光和1 571.161 nm 的off-line2 激光。2019 年，NASA 兰利研究中心还开发一种先进的激光吸收光谱仪，称为ASCENDS 碳鹰实验模拟器（ASCENDS Carbon Hawk Experiment Simulator，ACES），希望使其具有更低平台尺寸、质量和功率消耗，性能更好的星载仪器［40-42］，ACES 仪器改进包括增加放大器的数量和额外的传输功率监视器，作为额外的外部传输功率参考，补充放大器内部的功率光纤接头。如今，兰利团队通过ACES计划，已经接近实现了任务所需的激光功率，并开发了可实现的路径。目前的机载实验在测距和XCO2结果上有不错的表现。

2011 年，DOBLER 等［43］在Lear-25、UC-12 和DC-8 飞机上使用多功能光纤激光雷达（Multifunctional Fiber Laser Lidar，MFLL）在不同地表和大气条件下进行了飞行试验。在沙漠和植被表面的IM-CW LAS 测量值原位测量仪XCO2具有较好的一致性，XCO2平均值在0.17%（～0.65×10-6）范围内，当平均间隔10 s 时，XCO2测量精度可以达到0.3×10-6。除了以上机载实验，MFLL 参与美国大气碳与运输项目。2016 年，在该项目的机载实验中，采样率为10 Hz，信噪比大于120 dB 的条件下，MFLL 测量结果与原位测量相似。XCO2测量结果稳定性、准确性在1 h 内的时间尺度下，系统变化小于0.3×10-6［44］。CAMPBELL 等［45］于2017—2018 年间进行了机载飞行试验并得到了结果。将实测的气象参数和原位测量仪测量结果与IM-CW LAS 反演结果进行比较，标准偏差为0.80×10-6。使用10 s 以上的移动平均值，能够获得1.00×10-6以上的精度。平均时间为0.1、1.0、10.0、60.0 s；对应的平均XCO2测量精度分别为3.40×10-6、1.20×10-6、0.43×10-6、0.26×10-6；对应测量信号信噪比分别为120、330、950、1 600。综上所述，测量的稳定性、精度和准确度能够满足研究大气XCO2变化的要求。

另外，在美国宇航局地球科学技术办公室（NASA’s Earth Science Technology Office，ESTO）的支持下，LARC 开发了一种2 μm 三脉冲IPDA［46-47］。通过波长调谐，该三脉冲IPDA 能够同时或单独测量H2O 和CO2的差分光学深度。该系统是2 μm CO2双脉冲IPDA 激光雷达的升级。主要升级的是2 μm 激光发射器。三脉冲IPDA 激光雷达是一种基于先进的高重复频率（50 Hz）、高能（80 MJ）、三脉冲、2 μm 激光发射器的直接探测系统。三个脉冲间隔150～200 μs，用3 种不同的波长注入。2 μm 三脉冲IPDA 激光雷达要求3 个稳定的波长，线宽窄、光谱纯度高。种子源是基于分布式反馈半导体激光二极管，工作在一个窄线宽的单一波长中［48］。三脉冲IPDA 接收机是在双脉冲激光雷达接收机的基础上研制。更新包括在低信号通道中加入HgCdTe 电子引发雪崩光电二极管（e-APD）探测器阵列。并进行了机载实验来验证仪器性能，仪器性能能够达到设计目标，能同时测量CO2和H2O。

2.2 A-SCOPE 计划

2008 年，欧洲宇航局提出了A-SCOPE 任务［35］。A-SCOPE 是一个主动系统，不依赖于太阳光，能够进行全天时、高纬度地区的测量，另外，由于其空间分辨率小于100 m，A-SCOPE 可以穿过云间缝隙来减少被动卫星的采样点面积。轨道设计在上午6 时和下午6 时，昼夜云量最少，尤其是在热带地区。基于A-SCOPE 任务，同样进行了IPDA 激光雷达的研制及机载实验。AMEDIEK 等［49］研制了IPDA 激光雷达机载样机，称为CHARM-F，用以探测温室气体CO2和CH4。探测CO2的on-line 为1 572.02 nm，off-line 波长为1 572.12 nm。样机由一个光学头部和2 个飞机机架组成，头部包括激光器和接受光学元件，飞机机架用于固定电子元件和冷却系统。进行气体探测时，激光脉冲交替发射，避免相互干扰。接收系统包括4 个不同大小的望远镜，用于测量CO2和CH4，每种痕量气体探测分别有一个直径200 mm 的望远镜和一个直径60 mm 的望远镜，前者带有PIN 光电二极管作为探测器。激光由NDYAG 激光泵浦的光学参量振荡器（OPOs）发射［50］，其采用稳定的低功率连续波DFB 激光器作为注入种子，CO2采用光纤激光器。参考绝对波长和种子激光器的稳定使用一个吸收池，长度为36 m，填充气体为CH4和CO2［51］。脉冲间隔设置为500 μs，来保证2 个激光光斑的位置重叠。通过设置积分球保证监测通道信号和回波信号被收集到相同探测器中。2015 年春天，激光雷达系统在高空和远程研究飞机上开展了第一次飞行试验，激光雷达反演结果于原位测量仪保持较好的一致性，平均绝对偏差约为0.6%［52］。

2.3 大气环境监测卫星

大气一号（DQ-1）是国家空间基础设施中全球首颗搭载主动激光雷达CO2探测传感器的大气环境监测卫星，DQ-1 上主要载荷为用于CO2和气溶胶监测路径积分差分吸收激光雷达（ACDL）［36］。DQ-1为太阳同步轨道卫星，轨道高度约705 km，轨道重复周期约51 d。DQ-1 能够获取CO2全球范围高进度的CO2浓度分布，除此之外，ACDL 能够进行532 和1 064 nm 波长的激光，从而能够进行气溶胶和云的探测。DQ-1 具有大气环境温室气体监测的能力，能够为全球气候变化研究提供科学数据。DQ-1 载荷的激光雷达缩比系统研制及机载飞行实验在不断开展中，该卫星于2022 年4 月16 日成功发射，目前已开机在轨运行。

2015 年，中国科学院上海光学精密机械研究所研制了一台地基的双脉冲IPDA CO2浓度探测激光雷达，并开展了地面实验［53］。IPDA 激光雷达包括激光发射子系统、接受系统和数据采集系统。考虑到大气水汽和温度对吸收截面的影响，脉冲激光器的on-line 波长和off-line 波长分别选择为1 572.024、1 572.084 nm。种子激光器具有3 个DFB 激光二极管：一个用作参考激光器（RL），使用外部频率调制技术将波长锁定到1 572.017 9 nm 处的CO2谱线中心；其他2 个用作on-line 和off-line 的种子光。通过光学锁相环技术将on-line 和off-line 种子光分别锁定在1 572.024 和1 572.084 nm 处。接收子系统中包括一个望远镜和一个探测模块。通过直径为200 mm 的卡塞格林望远镜来收集从物体反射回来的激光雷达信号，太阳光背景信号通过窄带滤光片进行过滤，回波信号利用Licel-INGAAS 雪崩光电二极管模块进行测量。

2019 年3 月首次在山海关开展了机载飞行试验，实验结果见表4［54］。激光雷达除1 572 nm 的CO2探测通道外，还包括由532、1 064 nm 组成的高光谱分辨率气溶胶探测通道，3 个波长的激光均由一个三波长激光器发射。飞行实验中为了更好地反演和分析XCO2，飞机上还搭载了XW-GI7660 导航系统、温湿压传感器、原位便携式气体分析仪UGGA、三合一吊舱温湿压监测仪及相机。飞行实验平台为运8 飞机，测量表面包括山区、海洋和居民区。利用多个脉冲信号做平均的方法，进行了3 种反演方法的结果比较，AVD 方法的反演结果更接近于此次实验中与原位测量仪结果，在远离海岸、受居民区影响较小的海域，IPDA 激光雷达系统反演的XCO2与现场仪器测得的CO2浓度偏差为1.30×10-6，标准偏差为1.02×10-6。海洋、居民区和山区的XCO2平均值分别为419.35、429.29、422.52×10-6。居民区和海洋区之间有明显的浓度梯度，其差值为9.94×10-6，居民区和山区也有明显梯度，其差值为6.77×10-6［55］。

表4 2019 年3 月14 日飞行实验结果Tab.4 Results of the flight experiments on March 14，2019

南信大团队参加了机载实验，并开展了一些工作。WANG 等［56］将飞行期间获取的CO2垂直剖面与GEOS-chem 和Carbon Tracker 模式的剖面结果进行比较，显示出了良好的一致性。王勤等［57］在机载实验中采用脉冲积分法（PIM）计算激光雷达数据的差分吸收光学厚度。计算了不同类型表面，包括山地、海洋和城市地区的XCO2平均干空气混合比。根据海洋，山区和城市地区的激光雷达测量计算出的XCO2浓度分别为（421.11±1.24）×10-6、（427.67±0.58）×10-6、（432.04±0.74）×10-6，此外，通过对UGGA 数据的详细分析，还研究了污染水平对CO2浓度的影响，同时对OCO-2 和Carbon Tracker 的剖面数据进行了比较。在2021 年7 月进行了第2 次机载实验，对敦煌的沙漠地表进行观测。王勤等［58］将从ACDL 系统获得的XCO2反演结果与OCO-2 反演结果、便携式傅里叶变换光谱仪（EM27/SUN）测量结果以及使用机载超便携温室气体分析仪（UGGA）和哥白尼大气监测服务（CAMS）模型测量得出的XCO2估计值进行了比较。此外，对OCO-2 和CAMS 资料获得的CO2垂直剖面与机载UGGA 测量结果进行了比较，两者表现出了相似的垂直分布模式，还确定了大气CO2浓度与气溶胶光学厚度之间存在较强的正相关关系。

目前，各国对于适用于星载的差分激光吸收雷达研制和相应的记载实验仍在不断开展中。长期的机载实验对仪器和算法的改进提供了帮助和参考。同时，机载实验在各种地表类型下（陆地、海洋、冰面、沙漠），有云覆盖和破碎云的情况下及昼夜都进行探测。机载实验仍然需要继续开展，对自然和人为的源汇的CO2通量需要准确的测量。北极、城市、夏季农田等CO2源汇的观测对解决有关地表和大气之间碳交换的局部和区域尺度问题非常重要。另外，将对被动遥感卫星的结果对比也可以作为一部分工作。然而，满足星载探测任务仍然具有很大挑战，首先由于更远的传输距离，通常大于400 km，这会导致接收机的能量损失，卫星轨道运行速度更快导致反射率变化变大，表面光斑直径较大；会受到发射振动和CO2的太空的辐射环境，仪器技术和部件要保证3～5 a 的使用寿命。对于以上问题，可以通过提高激光功率和望远镜的接受面积来增强信号强度，通常星载激光雷达的能量是机载时的10～100 倍。另外则是设计足够坚固的仪器结构，根据星载探测的要求，进行了许多星载CO2探测时的性能模拟，能够保证测量精度在1×10-6以内。目前，我国于今年4 月完成了大气温室监测卫星的发射，这是全球第一颗基于主动遥感的温室气体遥感卫星，正处于在轨测试阶段。

3 结束语

目前，被动遥感的技术比较成熟，全球主要国家都具有被动遥感全球的卫星，基本能够满足1×10-6～2×10-6的精度，被动遥感方法仍然是探测温室气体的主要方法，但是主动遥感卫星也不可缺少。近年来，主动遥感卫星的技术不断发展，未来主被动卫星探测结合的方式能更加准确的获取大气中CO2的浓度分布，同时对夜间、海洋、有云地区的数据能够进行补充。

机载实验仍然需要不断开展，实验结果不仅能够为后续的主动遥感卫星计划提供了探测性能验证、载荷优化和算法依据，还可以对后续的主动仪器开发提供性能验证，从而不断优化CO2探测的结果。除了已经发射的DQ-1 卫星，下一代DQ-2 卫星也已经在研制中，将进一步提升DQ-1 的探测精度。