大氣環境監測衛星激光雷達技術

陳衛標，劉繼橋，侯 霞，臧華國，馬秀華，萬 淵，竹孝鵬

（1.中國科學院上海光學精密機械研究所 中科院空間激光信息傳輸與探測技術重點實驗室，上海 201800；2.中國科學院上海光學精密機械研究所 航天激光工程部，上海 201800）

0 引言

2013 年霧霾天氣頻發，在此背景下國務院在2013 年9 月發布了“大氣十條”行動計劃，目標是經過5 年努力實現全國空氣質量總體改善，重污染天氣較大幅度減少［1］。衛星是獲取全球空氣質量的重要手段，一般通過成像光譜儀獲取可見光大氣光學厚度來評估空氣質量。由于衛星被動遙感設備不能分層，光譜圖像中不能有效區分云和氣溶膠光學厚度，因此獲得的大氣光學厚度同PM2.5相關性低，容易造成誤報。星載激光雷達可以獲取全球氣溶膠和云的垂直廓線［2-4］，有效剔除云的干擾，獲取精確的氣溶膠光學厚度，從而提高空氣質量監測精度。同時激光雷達獲取的氣溶膠廓線，結合被動遙感載荷數據，可以進一步提高被動載荷空氣質量監測的精度。

目前全球大氣溫度相對工業革命前升溫約1.1 ℃，全球變暖已是實事。大氣CO2是引起溫室效應的主要溫室氣體，在全球氣候變化中扮演重要作用，過去60 年全球主要溫室氣體CO2濃度增加約30%。對于全球氣候變化影響重要的大氣環境要素就是溫室氣體CO2和CH4，以及大氣氣溶膠和云，其中CO2和CH4是全球變暖最主要的溫室氣體［5］。星載全球CO2濃度探測，被認為是量化局部CO2源和匯的有效方法，可更好地理解碳循環不同成分之間的聯系。高精度測量全球溫室氣體濃度分布，獲取大范圍區域碳排放，是自上而下校核各國溫室氣體排放量的重要手段。全球溫室氣體衛星遙感監測主要包括被動和主動方法，被動衛星容易受云和氣溶膠的干擾，有效數據全球覆蓋約5%～10%［6-7］，測量精度相對較低（（2～4）×10-6）。溫室氣體主動監測的星載激光雷達，穿過云的幾率高，基本不受氣溶膠影響，因此有效數據全球覆蓋率超80%，最有希望實現全球CO2柱濃度1×10-6高精度測量。

國際上全球氣溶膠廓線的激光雷達探測，最有代表性的是美國航空航天局（NASA）在2006 年發射的CALIPSO（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations）衛星大氣探測激光雷達CALIOP（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization）［8］，目前已經在軌工作16 a，證明了星載激光雷達在軌長壽命和高可靠的工作能力。在2022 年的國際激光雷達會議上，NASA 的科學家宣布由于衛星和載荷性能下降，計劃2023 年下半年關機，從而結束使命。在后續的規劃中，NASA 計劃在2028 年發射后向散射激光雷達，2030 年發射高光譜探測激光雷達（High Spectrum Resolution Lidar，HSRL）。歐空局首個氣溶膠和云探測激光雷達ATLID（ATmospheric LIDar）計劃2024 年發射，采用了355 nm 發射激光和高光譜探測體制［9］。

關于溫室氣體星載激光探測，2007 年美國NASA 地球科學觀測十年規劃中提出了全球CO2測量激光雷達衛星ASCENDS（Active Sensing of CO2Emissions over Nights，Days，&Seasons）［10］，原計劃2016 年完成，目前推遲到2030 年以后。2009 年歐空局（European Space Agency，ESA）地球探測任務提出了全球CO2測量激光雷達衛星A-SCOPE（Advanced Space Carbon and Climate Observation of Planet Earth）概念［11］，后來由于難度大被擱置。為了驗證溫室氣體激光主動遙感技術，德國宇航局同法國空間局合作，開展了全球溫室氣體CH4濃度測量星載激光雷達MERLIN（Methane Remote Sensing Lidar Mission）研制［12］，原計劃2019 年發射，目前發射計劃推遲到2027 年。

針對環境監測和氣候變化研究重要需求，實現全球范圍空氣質量（氣溶膠顆粒物濃度PM2.5）和主要溫室氣體CO2濃度高精度監測，2017 年國家民用空間基礎設施大氣環境監測衛星（DQ-1 衛星）啟動衛星工程研制。大氣探測激光雷達（Aerosol and Carbon Dioxide Detection Lidar，ACDL）是大氣環境監測衛星主載荷，分系統主要任務是通過激光探測沿衛星運動軌跡探測全球大氣氣溶膠和云的高分辨垂直剖面，觀測大氣氣溶膠、云的光學特性，研究其在監測空氣質量及全球氣候變化中的影響及作用；全天時獲得衛星軌跡方向全球大氣CO2柱濃度分布信息，為CO2源和匯的確定提供量化的科學數據［13］。大氣探測激光雷達實現了國際創新跨越：國際首次星載激光雷達測量全球CO2濃度；國際首次星載激光高光譜探測體制測量全球氣溶膠和云的垂直廓線。本文主要介紹了DQ-1 衛星大氣探測激光雷達的主要原理和組成、性能參數以及未來溫室氣體遙感發展的展望。

2 大氣激光雷達探測原理

DQ-1 衛星大氣探測激光雷達采用高光譜探測技術測量大氣、氣溶膠和云光學特性參數［14-15］，采用路徑積分激光差分吸收技術測量CO2柱濃度［16］，在一套大氣探測激光雷達中集成了2 種不同原理的探測體制，實現大氣環境多參數同步測量。激光雷達發射532、1 064 和1 572 nm 三波長雙脈沖激光，滿足氣溶膠云廓線以及CO2柱濃度同時測量需求。

對于CO2柱濃度測量，采用1 572 nm 脈沖激光積分路徑差分吸收激光雷達方法，使用雙波長（λon、λoff分別對應吸收線強的區域和吸收弱的區域）激光測量CO2柱濃度，如圖1 所示。2 個波長的吸收截面σ 不同，通過兩波段脈沖激光吸收的差異獲得CO2柱濃度。為了保證長期工作穩定性，獲取高精度觀測數據，λon和λoff均需鎖定在CO2吸收線上，其中λon脈沖激光頻率鎖定精度要求為0.6 MHz。

圖1 大氣探測激光雷達CO2柱濃度積分差分吸收探測原理Fig.1 Principle of CO2 column concentration measurement by the ACDL with the IPDA method

對于氣溶膠和云垂直廓線測量，分別采用激光雷達（532 nm）、高光譜分辨探測方法（532 nm）、雙波長后向散射方法（1 064 nm）和偏振接收方法（532 nm），測量大氣氣溶膠、云的高垂直分辨和高精度的光學特性參數剖面，獲得的數據產品包括：氣溶膠消光系數剖面、散射系數剖面、激光雷達比、光學厚度、混合層高度、云頂高度和云的垂直廓線等重要的大氣環境參數。另外，結合地面氣象數據等輔助數據進一步反演PM2.5濃度分布，同時給被動觀測載荷提供混合層高度測量數據，主被動結合提高被動衛星的PM2.5反演精度。激光雷達532 nm 高光譜探測，選取了碘分子濾波器，探測原理如圖2 所示，不用假定激光雷達比直接可以獲取氣溶膠的光學參數剖面，具有高的測量精度。而傳統的后向散射激光雷達，如CALIOP 激光雷達，需要假定全球不同區域的激光雷達比，反演氣溶膠誤差相對較大。通過系統參數優化后，激光雷達532 nm 高光譜探測選取了碘分子的1110 吸收線［14］，同時發射的532 nm 脈沖激光頻率需要鎖定在碘分子吸收線上，長期穩定性要求小于10 MHz。

圖2 大氣探測激光雷達高光譜氣溶膠探測原理Fig.2 Principle of atmospheric aerosols measurement by the ACDL with the HSRL technique

3 激光雷達基本組成

激光雷達系統功能組成如圖3 所示，主要由光機頭部和電子學單機兩大部分組成。其中光機頭部主要包括激光發射源、接收望遠鏡和接收光學單元等。激光雷達同時輸出三波長（532 nm/1 064 nm/1 572 nm）激光，為單波束雙脈沖。雙頻參考機實現1 572 nm 和1 064 nm 的雙波段連續種子激光的穩頻和鎖頻，而脈沖激光器發射激光頻率同種子激光頻率相對鎖定。發射激光經過中繼鏡和終端擴束鏡壓縮發散角后發射，同時部分發射1 572 nm 激光通過積分球接收由接收光學單元的1 572 nm 通道探測器接收［17］。激光雷達設計壽命8 a，按照要求可開機連續工作。

圖3 DQ-1 衛星大氣探測激光雷達系統功能組成Fig.3 Schematic diagram of the ACDL for the DQ-1 satellite

激光雷達收發同軸，接收望遠鏡同時接收三波長激光的大氣氣溶膠、云及地面回波后向散射光，進入接收光學單元。激光雷達在軌對發射光軸指向進行調節，實現收發光軸完全匹配，同時設計了視軸監視單元對激光雷達發射光軸、接收光軸以及相對星敏感器光軸進行實時測量［18］。接收光學單元，由1 572 nm 測量CO2通道、1 064 nm 氣溶膠和高程測量通道、532 nm 氣溶膠測量通道以及視軸監測單元組成。532 nm 接收通道，包括高光譜探測通道、參考平行通道和垂直偏振通道。1 064 nm 通道，接收云和氣溶膠的回波信號，同時測量地面高程。

電子學單機包括主控電路箱、頭部電控箱、數采電路箱、溫控儀、激光器功放驅動箱、100 V 電源配電器以及28 V 電源配電器組成，主要實現平臺通信控制、激光驅動控制、探測供電、信號采集、溫度控制以及電源配電等。

激光雷達單機配置見表1，核心單機光機頭部模裝結構設計如圖4 所示。通過復合材料的碳纖維結構框架同衛星基板連接，同時輻冷板安裝在光機頭部上對內部的激光器進行有效散熱。

表1 大氣探測激光雷達單機配置表Tab.1 Subsystem prototypes configured in the ACDL

圖4 激光雷達光機頭部設計模裝Fig.4 Opto-machine subsystem design of the ACDL

激光雷達主要技術參數見表2。激光雷達在軌根據任務要求，連續開機工作。主要工作模式包括待機模式、探測模式、定標模式、在軌存儲模式以及在軌除氣模式。

表2 激光雷達系統主要技術參數Tab.2 Main technical parameters of the ACDL

4 激光雷達載荷研制

4.1 激光雷達載荷硬件研制

激光雷達主要由光機頭部和8 臺電單機組成，其中光機頭部為激光雷達的核心單機。激光器是激光雷達光機頭部的核心子單機，要求發射單頻、窄線寬和長期穩頻的脈沖1 572 nm 和532 nm 激光，它們是實現CO2濃度1×10-6高精度探測以及高光譜氣溶膠探測的關鍵。為了滿足激光雷達精確探測需求，要求1 572 nm 的激光頻率穩定性（rms）小于0.6 MHz，532 nm 激光頻率穩定性（rms）小于10 MHz。激光器由雙頻參考機和三波長脈沖激光器組成，雙頻參考機實現1 572 和1 064 nm 波段的單頻、穩頻連續激光輸出，采用PDH 穩頻技術分別將1 572 nm 波長激光鎖定在CO2吸收線和碘分子吸收線［19-20］。1 572 nm 脈沖激光通過光學參量振蕩器（Optical Parametric Oscillator，OPO）和光學參量放大器（Optical Parametric Amplifier，OPA）實現雙波長、雙脈沖和高能量激光輸出，其中脈沖激光器波長同雙頻參考機1 572 nm 波長實現頻率鎖定［21］，采用氣體吸收池對1 572 nm 脈沖激光光譜純度進行了測試［22］。三波長脈沖激光器的1 064 nm 脈沖激光器同雙頻參考機1 064 nm 連續激光實現波長鎖定，倍頻后獲得532 nm 脈沖激光。最終，1 臺激光器同時實現532 nm、1 064 nm 和1 572 nm 三波長脈沖激光輸出。

測試雙頻參考機1 572 nm 參考激光波長的頻率穩定性結果及其阿倫偏差如圖5 所示，10 000 s 的阿倫偏差小于30 kHz。對于1 064 nm 激光頻率穩定性，受限于測試條件限制，采用高精度的波長計（HighFinesse WS8）進行測試，測試3 h的波長變化如圖6所示，頻率變化的標準偏差為0.8 MHz@rms。

圖5 1 572 nm 單頻種子激光頻率穩定性測試Fig.5 1 572 nm single frequency seeder frequency stability measurement

圖6 單頻1 064 nm 種子激光器頻率穩定性測試Fig.6 Frequency stabilization measurement by the 1 064 nm seeder laser

1 572 nm 脈沖激光頻率穩定性監測結果如圖7所示，脈沖頻率穩定性為0.4 MHz@rms，滿足0.6 MHz@rms 頻率穩定性指標要求。

圖7 1 572 nm 脈沖激光頻率穩定性測試Fig.7 Frequency stabilization measurement by the 1 572 nm pulse laser

2021 年完成了激光雷達光機頭部正樣的研制，如圖8 所示，其中輻冷板安裝在激光雷達的框架上，主要對激光器進行散熱。載荷正式發射前，開展了機載校飛試驗，為星載數據反演提供了真實數據源，并驗證了激光雷達大氣CO2柱濃度和氣溶膠的高精度測量能力［23-25］。

圖8 激光雷達光機頭部Fig.8 Opto-machine head of the ACDL

4.2 激光雷達CO2濃度測量實驗室定標

對于星載CO2測量激光雷達，CO2柱濃度定標很難在室外環境測試，同時高能量的激光雷達對于工作環境空氣潔凈度要求極高。為了解決實驗室條件下激光雷達CO2濃度定標難題，提出了基于CO2吸收池的激光雷達大氣CO2濃度測量定標裝置和方法，為星載CO2激光雷達濃度測量精度實驗室定標提供了新的解決方案。該定標裝置利用帶光學窗的密封腔體充注不同濃度CO2的方式，來模擬整層大氣對星載激光CO2吸收過程。該項裝置成功為星載大氣探測激光雷達CO2柱濃度測量進行了實驗室定標，證實了該激光雷達系統CO2柱狀濃度能夠實現1×10-6的高測量精度［25-26］。激光雷達CO2濃度測量定標裝置和測量定標結果如圖9 和圖10所示。

圖9 激光雷達CO2濃度測量定標裝置Fig.9 Schematic diagram of the ACDL calibration system

圖10 激光雷達CO2濃度測量定標結果Fig.10 Calibration results of CO2 concentration obtained by the ACDL

5 激光雷達在軌遙感數據

大氣探測激光雷達國際首次采用高光譜激光探測技術，通過對大氣進行分層“CT”掃描，實現全球氣溶膠光學參數、形狀和尺寸等垂直分布信息的精確獲取。衛星穿過撒哈拉沙漠地區532 nm 波段氣溶膠衰減后向散射系數示例如圖11 所示，能清晰地看到氣溶膠和云的高分辨率垂直廓線，黃色為較強的氣溶膠垂直分布，南極高空云垂直分布也清晰可見。一整天約14.6 軌的白天和晚上沿軌方向全球CO2柱濃度分布如圖12 所示，可以看到星載激光雷達首次獲得全球晚上、首次獲取全球南北兩極的高精度CO2柱濃度數據。

圖11 激光雷達532 nm 波段氣溶膠衰減后向散射系數廓線遙感數據Fig.11 Attenuated backscatter coefficient profiles of aerosols obtained by the ACDL at 532 nm

圖12 激光雷達測量1 d 14.6 軌的CO2柱濃度分布Fig.12 CO2 column concentration distribution measured by the ACDL in one day

6 未來發展趨勢與展望

DQ-1 衛星大氣探測激光雷達國際首次實現了全球CO2柱線濃度全天時高精度測量，設計的50 km 分辨率重訪周期為51 d。高精度溫室氣體監測（DQ-2）衛星也裝載了同樣的大氣探測激光雷達載荷，計劃2024 年發射后同DQ-1 衛星組網，組網后對于全球大氣觀測，時間分辨率提高了1 倍，50 km分辨率重訪周期約25 d。為進一步提高全球觀測時間分辨率，設計5 顆組網衛星將時間分辨率提高到10 d，更好地滿足全球CO2濃度高時頻和精確測量需求，更好地服務于國家“雙碳”戰略。

甲烷是CO2外的第二大溫室氣體，其對溫室效應的貢獻在全部溫室氣體中約占到30%，同時還是臭氧等重要污染氣體的前體。全球變暖導致的青藏高原冰凍圈縮小釋放甲烷，農業和畜牧業生產的擴大也加速了甲烷的排放，全球甲烷濃度的測量對于全球氣候變化研究非常重要，也是溫室氣體總排放量計算需要獲取的重要大氣成分，在“雙碳”戰略中也具有重要意義。未來的星載載荷有必要利用激光主動遙感手段全天時、高精度的測量全球甲烷柱濃度。

針對多種主要溫室氣體全球高精度遙感，對于新一代環境監測衛星，需要發展新型的溫室氣體探測激光雷達載荷，同時實現全球CO2柱濃度和CH4柱濃度的高精度測量，將在全球氣候變化研究中發揮重要作用、產生重要影響。

7 結束語

大氣環境監測衛星大氣探測激光雷達載荷于2022 年4 月16 日成功發射，在國際上首次實現全球高精度CO2濃度和氣溶膠聯合測量，為國際首個星載CO2探測激光雷達和首個高光譜氣溶膠探測激光雷達，實現了中國星載大氣環境遙感激光雷達的國際創新跨越。激光雷達在軌測試實現了高精度遙感數據反演，驗證了CO2柱濃度測量精度優于1×10-6，氣溶膠垂直廓線測量精度優于20%、垂直分辨率優于30 m。特別對于全球溫室氣體CO2濃度測量，首次獲得了晚上的全球CO2柱濃度，首次獲得南北兩極的CO2柱濃度，首次實現了優于1×10-6的精度，為全球碳源、碳匯估算提供精準數據，助力“雙碳”國家戰略的實施。高精度的氣溶膠和云廓線數據將在氣象研究以及空氣質量預報和監測等領域發揮重要作用。今后將進一步開展激光雷達星地對比測試，升級數據處理和反演方法，積極推進數據產品及其應用研究，加強國際合作，擴大數據產品國際影響力。