大氣探測激光雷達(dá)校飛樣機(jī)研制與飛行驗(yàn)證

楊巨鑫，張 揚(yáng)，樊純璨，王 勤，趙旭楓，李世光，張俊旋，卜令兵，劉繼橋，陳衛(wèi)標(biāo)

（1.中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 航天激光工程部，上海 201800；2.中國科學(xué)院大學(xué) 材料與光電研究中心，北京 100049；3.中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 空間激光信息傳輸與探測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201800；4.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109；5.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)測與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044）

各領(lǐng)域?qū)Χ窟b感衛(wèi)星的需求越來越廣泛，精度要求也越來越高［1］。國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025 年）提出，建設(shè)大氣成分探測衛(wèi)星，圍繞大氣顆粒物、污染氣體和溫室氣體探測需求，發(fā)展高光譜、激光、偏振等觀測技術(shù)［2］。大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星將在我國的大氣環(huán)境監(jiān)測中扮演著重要角色，該衛(wèi)星的主載荷是大氣探測激光雷達(dá)，其任務(wù)是通過在衛(wèi)星運(yùn)動軌跡上使用激光探測技術(shù)，高分辨率地探測全球大氣氣溶膠和云光學(xué)參數(shù)的垂直廓線，以研究其在監(jiān)測空氣質(zhì)量和全球氣候變化中所扮演的角色及產(chǎn)生的影響，氣溶膠參數(shù)的衛(wèi)星遙感反演已成為氣候變化和大氣環(huán)境等研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題［3］。此外，該衛(wèi)星還可以全天候獲得全球大氣CO2柱濃度分布信息，提供的科學(xué)數(shù)據(jù)，有助于確定CO2的源和匯［4］。

機(jī)載校飛試驗(yàn)對衛(wèi)星載荷的設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)應(yīng)用具有十分重要的意義。美國國家航空航天局（NASA）蘭利研究中心（Langley Research Center）早在2006 年就開始進(jìn)行機(jī)載高光譜激光雷達(dá)對大氣氣溶膠光學(xué)參數(shù)的研究試驗(yàn)，先后總計(jì)展開了240 個(gè)航次的驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)長達(dá)800 h。其機(jī)載試驗(yàn)主要是沿著CALIPSO 衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡展開，將機(jī)載同步觀測的數(shù)據(jù)和衛(wèi)星觀測的數(shù)據(jù)做了對比分析，并對氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)、氣溶膠類型、云層分布等做了對比處理，最終得出在機(jī)載激光雷達(dá)和衛(wèi)星共同工作的區(qū)域。其觀測的氣溶膠分布及氣溶膠類型都具有很好的一致性，高光譜激光雷達(dá)532 nm 消光系數(shù)廓線測量結(jié)果與機(jī)載太陽光度計(jì)（AATS-14）的試驗(yàn)結(jié)果非常吻合（差值小于0.001 km-1），532 nm 消光系數(shù)及氣溶膠光學(xué)厚度偏差小于6%［5-8］。美國NASA 戈達(dá)德飛行中心（Goddard Space Flight Center）對ASECNDS（Active Sensing of CO2Emission Over Nights，Days，and Seasons）計(jì)劃在2014—2016 年進(jìn)行了多次機(jī)載驗(yàn)證，結(jié)果表明，IPDA 激光雷達(dá)可在不同下墊面上進(jìn)行高精度的CO2柱濃度測量，其中在沙漠上空，獲得了0.8×10-6的精度（1 s 平均）［9-10］。針對歐洲航天局（ESA）部署的ASCOPE（Advanced Space Carbon and Climate Observation of Planet Earth）計(jì)劃和法-德聯(lián)合研制的甲烷探測激光雷達(dá)（Methane Remote Lidar Mission，MERLIN），德國航空航天中心（Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt，DLR）研制了一套用于同時(shí)測量CO2和CH4的機(jī)載樣機(jī)CHARMF，結(jié)果表明，反演得到的CO2濃度和原位測量儀測得的廓線對比一致性非常好，平均絕對誤差約為0.6%［11-12］。2016 年，中國科學(xué)院大氣物理研究所的ZHANG 等［13］進(jìn)行了一次機(jī)載縮比樣機(jī)飛行試驗(yàn)，以測試碳衛(wèi)星（TanSat）的性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，與OCO-2 的XCO2相比，平均偏差為0.7×10-6，標(biāo)準(zhǔn)差為0.95×10-6。

朱亞丹等［14］對機(jī)載CO2濃度探測激光雷達(dá)的誤差進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在溫度、壓強(qiáng)、濕度、能量監(jiān)測和頻率穩(wěn)定性的不確定度分別為1 K、0.1%、10%、7.57×10-4和0.1 MHz（平均148 次后）時(shí)、線寬為60 MHz 和光譜純度為99.996% 時(shí)，總相對誤差為0.096%，絕對誤差為0.381×10-6；董俊發(fā)等［15-16］搭建了一套碘分子吸收池光譜特性測試裝置，獲取吸收池不同溫度、不同波長下的吸收特性，選取了星載高光譜激光雷達(dá)的最優(yōu)碘分子吸收線（1110 線@532.245 nm）；胡文怡等［17-18］對激光雷達(dá)能量監(jiān)測進(jìn)行了研究，對不同能量監(jiān)測方法和散斑效應(yīng)進(jìn)行了分析，提出了使用積分球進(jìn)行能量監(jiān)測且在光路中加入運(yùn)動的散射片以消除積分球散斑的方法。

本文通過建立星載大氣探測激光雷達(dá)（Aerosol and Carbon Dioxide Detection Lidar，ACDL）的縮比校飛樣機(jī)，針對氣溶膠和云探測，可以驗(yàn)證大氣探測激光雷達(dá)原理及機(jī)載平臺高光譜探測、偏振探測等的性能，為星載系統(tǒng)數(shù)據(jù)反演提供數(shù)據(jù)源；針對CO2探測，可以驗(yàn)證大氣探測激光雷達(dá)原理及機(jī)載平臺CO2柱線濃度測量性能，為星載系統(tǒng)數(shù)據(jù)反演提供數(shù)據(jù)源。開展機(jī)載CO2柱濃度探測和地面設(shè)備同步觀測，開展星地對比和定標(biāo)，校正星載系統(tǒng)偏差，實(shí)現(xiàn)全國星載激光CO2濃度的高精度測量，同時(shí)開展典型區(qū)域的碳排放評估分析，為“雙碳”戰(zhàn)略研究提供重要的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1 機(jī)載激光雷達(dá)研制

1.1 機(jī)載大氣探測激光雷達(dá)原理

為了進(jìn)行CO2和氣溶膠、云的探測，采用了不同的方法。CO2探測采用路徑積分差分吸收（IPDA）激光雷達(dá)方法，使用交替發(fā)射波長相近的兩束1 572 nm 激光測量CO2柱線濃度。而氣溶膠和云測量則綜合采用了高光譜分辨率激光雷達(dá)（High Spectral Resolution Lidar，HSRL）方法、偏振接收方法、多波長后向散射方法，以測量氣溶膠和云光學(xué)特性參數(shù)的高精度垂直廓線；通過使用原子濾波器濾除氣溶膠的米散射信號，可以僅使用標(biāo)準(zhǔn)大氣模型直接獲得氣溶膠后向散射系數(shù)和氣溶膠后向散射比等參數(shù)，而不需要假設(shè)激光雷達(dá)比。

1.2 機(jī)載大氣探測激光雷達(dá)樣機(jī)設(shè)計(jì)

中科院上海光機(jī)所和南京信息工程大學(xué)共同研制了一套星載大氣探測激光雷達(dá)的機(jī)載樣機(jī)。按照ACDL 的探測體制，該縮比模型是一臺三波長混合探測激光雷達(dá)，其激光器輸出波長分別為532.245、1 064.490、1 572.024、1 572.085 nm。機(jī)載ACDL 系統(tǒng)主要由3 部分組成：激光發(fā)射單元、接收光電接收探測單元和電控箱，如圖1 所示。激光雷達(dá)發(fā)射三波長脈沖激光，接收望遠(yuǎn)鏡接收目標(biāo)的散射回波信號，回波信號由不同波段的探測通道進(jìn)行接收、光電轉(zhuǎn)換，然后由電控箱中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。

圖1 裝載在飛機(jī)平臺的機(jī)載大氣探測激光雷達(dá)系統(tǒng)Fig.1 Airborne atmospheric detection lidar system mounted on an aircraft platform

激光雷達(dá)信號結(jié)合相關(guān)的輔助數(shù)據(jù)，可以開展CO2柱線濃度、氣溶膠和云的光學(xué)參數(shù)廓線以及距離等信息的反演和計(jì)算。裝載在飛機(jī)平臺上的ACDL 系統(tǒng)的IPDA 激光雷達(dá)部分，能夠測量激光傳輸路徑上的CO2柱線濃度，可用于驗(yàn)證主、被動衛(wèi)星測量的CO2柱濃度（XCO2）精度，并用于校正在軌主、被動衛(wèi)星的數(shù)據(jù)反演算法；HSRL 部分能夠測量激光路徑上氣溶膠和云的光學(xué)參數(shù)廓線。此外，飛機(jī)上還裝載了單點(diǎn)采樣的CO2原位測量儀，用于交叉驗(yàn)證和優(yōu)化載荷系統(tǒng)參數(shù)。

激光發(fā)射單元由單頻的連續(xù)光種子源、脈沖激光放大器器以及激光擴(kuò)束系統(tǒng)組成，能夠發(fā)射532、1 064 和1 572 nm 的三波長脈沖激光。1 064 nm 激光波長為1 064.490 nm，通過頻率調(diào)制光譜技術(shù)結(jié)合碘分子吸收譜線實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定［19-20］，同時(shí)放大后輸出用于氣溶膠探測；1 572 nm 用于測量CO2，1 572 nm 激光發(fā)射雙波長，分別為位于CO2R18 吸收線上的λon=1 572.024 nm 和吸收線邊緣的λoff=1 572.085 nm，使用單頻1 064 nm 激光作為泵浦光、種子注入窄線寬1 572 nm 光學(xué)參量振蕩（OPO）和光學(xué)參量放大（OPA）的方法實(shí)現(xiàn)，經(jīng)二階非線性光學(xué)作用，將1 064 nm 泵浦光轉(zhuǎn)化為兩個(gè)頻率較低的信號光和閑頻光（1 572 nm 和3.3 μm）［21-22］；HSRL波長為532.245 nm，由1 064.490 nm 激光倍頻獲得。機(jī)載ACDL 系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of the airborne lidar system

機(jī)載大氣探測激光雷達(dá)系統(tǒng)光路如圖2 所示。三波長脈沖激光器自身分成兩路激光輸出，532 和1 064 nm 激光共用一路發(fā)射直接輸出，1 572 nm 激光單獨(dú)一路發(fā)射，以方便收發(fā)光軸調(diào)整。回波信號由卡塞格林接收望遠(yuǎn)鏡接收，經(jīng)分色片分光后進(jìn)入不同波長的探測通道。其中1 064 nm 通道和1 572 nm 通道探測器前使用窄帶濾光片，532 nm 通道使用窄帶濾光片和FP 標(biāo)準(zhǔn)具的組合來濾除背景光。532 nm 探測單元分為平行探測通道、正交偏振探測通道和HSRL 探測通道；通過綜合采用HSRL方法、偏振接收方法和結(jié)合1 064 nm 探測通道的多波長后向散射方法，精確地測量氣溶膠和云的光學(xué)參數(shù)廓線。1 572 nm 通道采用IPDA 的方法，使用雙波長1 572 nm 激光測量CO2柱濃度，出射激光經(jīng)能量分光后，90%的激光能量出射至大氣中用于CO2探測，10%的能量經(jīng)旋轉(zhuǎn)的散射片、衰減片和積分球與1 572 nm 回波信號一起由雪崩光電二極管測量，用于監(jiān)測激光能量抖動［23］。

圖2 機(jī)載大氣探測激光雷達(dá)系統(tǒng)光路Fig.2 Schematic diagram of the optical path of the airborne atmospheric detection lidar system

1.3 機(jī)載激光雷達(dá)集成

機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)光機(jī)頭部主要由發(fā)射部分和接收部分組成如圖3（a）所示。發(fā)射部分位于系統(tǒng)上層，包括激光器、反射鏡、積分球等；接收部分位于系統(tǒng)下層，包括望遠(yuǎn)鏡、中繼光路、探測器等，系統(tǒng)總質(zhì)量約71 kg。由于機(jī)載雷達(dá)對地觀測，發(fā)射和接收光路均為垂直向下，為方便裝調(diào)和地面測試，設(shè)計(jì)了一套工裝系統(tǒng)，使用支架和一片45°反射鏡系統(tǒng)，可將豎直方向光軸轉(zhuǎn)化為水平方向光軸，如圖5（b）所示。進(jìn)行裝調(diào)和水平方向觀測以校正雷達(dá)盲區(qū)、水平方向上大氣氣溶膠觀測和以墻面為合作目標(biāo)的CO2濃度的觀測；使用支架和兩片45°反射鏡系統(tǒng)，可將豎直向下的出射光和接收光軸轉(zhuǎn)為垂直向上，進(jìn)行垂直方向上大氣氣溶膠觀測和以云為合作目標(biāo)的CO2濃度觀測。

圖3 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)Fig.3 Airborne Lidar system

圖4（a）為激光雷達(dá)光機(jī)頭部，圖4（b）為安裝在飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)的機(jī)柜，機(jī)柜和光機(jī)頭部之間通過水管、電纜、光纖等進(jìn)行連接，如圖4 所示。

圖4 機(jī)載大氣探測激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.4 Physical diagram of the airborne ACDL system

2 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演方法

2.1 CO2柱濃度反演方法

機(jī)載IPDA 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演CO2柱濃度的流程如圖5 所示，提取原始信號中的λon、λoff的監(jiān)測信號和硬靶回波信號，進(jìn)行姿態(tài)糾正后，求出差分吸收光學(xué)厚度（DAOD）；獲取溫濕壓數(shù)據(jù)，計(jì)算出激光傳輸路徑上的權(quán)重函數(shù)；根據(jù)權(quán)重函數(shù)和差分吸收光學(xué)厚度計(jì)算得到CO2干空氣混合比。

圖5 機(jī)載IPDA 激光雷達(dá)CO2柱濃度反演流程Fig.5 CO2 column concentration inversion flow of the airborne IPDA lidar

2.2 高光譜氣溶膠反演方法

機(jī)載HSRL 反演氣溶膠數(shù)據(jù)流程如圖6 所示。提取回波信號中的有效數(shù)據(jù)，并進(jìn)行姿態(tài)校正；根據(jù)大氣溫壓數(shù)據(jù)計(jì)算得到大氣分子后向散射系數(shù)；最終反演得出氣溶膠退偏系數(shù)、后向散射系數(shù)消光系數(shù)和光學(xué)厚度等數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

圖6 機(jī)載HSRL 激光雷達(dá)氣溶膠反演流程Fig.6 Aerosol inversion data flow of the airborne HSRL lidar

2.3 1 064 nm 通道氣溶膠反演方法

1 064 nm 通道測量氣溶膠光學(xué)參數(shù)時(shí)，使用米散射激光雷達(dá)的Fernald 方法進(jìn)行反演；由于532 nm 通道是高光譜通道，因此在反演的時(shí)候不需要假設(shè)激光雷達(dá)比就可以準(zhǔn)確反演得到氣溶膠后向散射系數(shù)和消光系數(shù)的數(shù)值，通過波長轉(zhuǎn)化，可以得到參考高度處1 064 nm 對應(yīng)的氣溶膠后向散射系數(shù)和消光系數(shù)數(shù)值，如下：

式中：βa（λ1）、βa（λ2）分別為532 和1 064 nm 對應(yīng)的氣溶膠后向散射系數(shù)。

式中：αa（λ1）、αa（λ2）分別為1 064 和532 nm 對應(yīng)的氣溶膠消光系數(shù)為波長指數(shù)。

通常情況下，波長指數(shù)的取值范圍在（0，4），與大氣氣溶膠粒子的平均半徑密切相關(guān)。當(dāng)波長指數(shù)接近零時(shí)，表明氣溶膠主要是粗顆粒；而當(dāng)波長指數(shù)大于1.5 時(shí)，表明氣溶膠主要是細(xì)顆粒。在美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模型中，氣溶膠的平均波長指數(shù)為1.3［24-25］。

3 機(jī)載大氣探測激光雷達(dá)飛行試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概述

機(jī)載飛行試驗(yàn)結(jié)合相關(guān)的輔助測量設(shè)備，機(jī)上的輔助設(shè)備分別有：獲取雷達(dá)姿態(tài)信息和時(shí)間的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）、獲取飛行路徑上大氣參數(shù)的溫濕風(fēng)壓傳感器（AIMMS-20）、獲取飛行路徑上CO2濃度 的CO2原位測量儀（LGR，CO2濃度測量范圍為1×10-6～2×10-2，不確定性＜1%，測量精度＜0.75×10-6@1 s）和一臺用于記錄下墊面類型的相機(jī)（IDS）。地面的輔助設(shè)備分別有：用于測量AOD 的太陽光度計(jì)（CE318）、用于探測氣溶膠垂直分布的微脈沖激光雷達(dá)（Micro Pulse Lidar，MPL）、用于偏振探測的偏振米散射激光雷達(dá)和CO2原位測量儀（LGR）等。2019 年3 月9—19 日在華北地區(qū)先后進(jìn)行了6 次正式飛行試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.2.1 CO2柱濃度數(shù)據(jù)分析

以2019 年3 月14 日進(jìn)行的7 km 飛行試驗(yàn)為例，所選飛行區(qū)域依次經(jīng)過了海洋、陸地及山地3 種地形。

使用匹配濾波方法，機(jī)載IPDA 激光雷達(dá)反演得到的與機(jī)載LGR 測得的XCO2的對比如圖7（a）和圖7（b）所示，對應(yīng)的飛行路線如圖7 所示，相關(guān)性為92%，在受居民區(qū)影響較小的海域，機(jī)載激光雷達(dá)反演得到的與LGR 測得的XCO2絕對偏差為1.30×10-6，標(biāo)準(zhǔn)差為1×10-6。

圖7 IPDA 激光雷達(dá)系統(tǒng)反演的XCO2變化趨勢與原位測量的儀器測量的XCO2濃度對比［26-27］Fig.7 Comparison of XCO2 variation trend retrieved by IPDA lidar system with XCO2 concentration measured by in-situ instruments［26-27］

3.2.2 高光譜氣溶膠探測數(shù)據(jù)分析

2019 年3 月16 日進(jìn)行的8 km 飛行試驗(yàn)的飛行軌跡與飛行高度如圖8 所示。

圖8 2019 年3 月16 日的飛行軌跡與飛行高度［16］Fig.8 Flight trajectory and flight altitude on March 16，2019［16］

2019 年3 月16 日試驗(yàn)測得的氣溶膠后向散射系數(shù)、退偏和消光系數(shù)廓線時(shí)序分別如圖9～圖11所示，結(jié)果表明城市和人類活動密集區(qū)上空氣溶膠散射系數(shù)明顯高于山地上空，退偏系數(shù)約為0.1，海洋及山地上空退偏系數(shù)比陸地人口密集活動區(qū)上空，在0.5 km 以下消光系數(shù)明顯增大。

圖9 2019 年3 月16 日飛行軌跡上的后向散射系數(shù)廓線Fig.9 Aerosol backscatter coefficient profile on the flight trajectory on March 16，2019

圖10 2019 年3 月16 日飛行軌跡上的氣溶膠退偏廓線Fig.10 Aerosol depolarization profile on the flight trajectory on March 16，2019

圖11 2019 年3 月16 日飛行軌跡上的氣溶膠消光系數(shù)廓線Fig.11 Aerosol extinction coefficient profile on the flight trajectory on March 16，2019

機(jī)載高光譜激光雷達(dá)與位于撫寧縣氣象局的太陽光度計(jì)測得的氣溶膠光學(xué)厚度的對比見表2，結(jié)果表明激光雷達(dá)反演AOD 同太陽光度計(jì)的AOD偏差為13.7%，小于15%的AOD 偏差要求。

表2 機(jī)載HSRL 激光雷達(dá)與地基太陽光度計(jì)測得的AOD對比Tab.2 AOD measured by the airborne HSRL lidar and ground-based sun photometer

4 結(jié)束語

通過本次試驗(yàn)，積累了一些極其重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在外場試驗(yàn)結(jié)束之后，就本次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做了相對全面的分析處理，通過分析首先驗(yàn)證了試驗(yàn)的有效性；氣溶膠探測通道高精度測得氣溶膠和云的高垂直分辨率的光學(xué)特性參數(shù)廓線，獲取了氣溶膠消光系數(shù)、退偏廓線和后向散射廓線，進(jìn)一步分析可獲取氣溶膠光學(xué)厚度、邊界層高度、云頂高度、云粒子相態(tài)、云的垂直分布等參數(shù)；對于CO2的測量，采用IPDA 激光雷達(dá)方法，測量了激光傳輸路徑上的CO2柱線濃度，可用于驗(yàn)證主、被動衛(wèi)星測量的XCO2精度，和校正在軌主、被動衛(wèi)星的數(shù)據(jù)反演算法。在機(jī)載飛行平臺上，驗(yàn)證了優(yōu)于1×10-6的CO2柱濃度測量精度和優(yōu)于15%的氣溶膠測量精度。未來利用該機(jī)載激光雷達(dá)可以進(jìn)一步開展星地對比驗(yàn)證試驗(yàn)。