倪國強(qiáng)，趙曉慶，陳小梅

（北京理工大學(xué)光電學(xué)院光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

激光雷達(dá)對(duì)大氣的探測是通過向大氣中入射的激光與大氣中的氣溶膠、大氣分子相互作用而產(chǎn)生后向散射，采用探測器進(jìn)行接收并進(jìn)行信號(hào)處理與分析而實(shí)現(xiàn)的[1]。這些數(shù)據(jù)里攜有與被測物質(zhì)有關(guān)的光吸收、散射、頻移等信息，通過對(duì)這些信息進(jìn)行分析便可得到所需的大氣成分（包括污染物）、溫度、濕度、密度、顆粒物大小、運(yùn)動(dòng)速度及其方向等信息。

目前國際上已部署研究或已發(fā)射的星載激光大氣測量載荷與衛(wèi)星大體有以下幾種：在氣溶膠和云的探測方面，美國NАSА先后實(shí)施了激光雷達(dá)空間技術(shù)試驗(yàn)計(jì)劃（LITE）和云-氣溶膠激光雷達(dá)和紅外探測者衛(wèi)星（CАLIPSO）兩項(xiàng)計(jì)劃；同時(shí)，用于測量CO2、水汽和CH4等大氣成分全球分布的星載差分吸收激光雷達(dá)也正在研制中，如全天候全天時(shí)CO2排放主動(dòng)遙感器（АSCENDS）和先進(jìn)的地球空間碳與氣候觀測系統(tǒng)（А-SCOPE）；美國、歐洲、日本對(duì)于測量全球風(fēng)場高分辨率時(shí)空分布的星載多普勒激光雷達(dá)，都投入了大量的研究，如大氣動(dòng)力學(xué)任務(wù)-風(fēng)神（Аtmospheric Dynamics Mission Аeolus，АDM-Аeolus）、日本多普勒相干測風(fēng)激光雷達(dá)（Japanese Experiment Module-Coherent Doppler Lidar，JEM-CDL）、歐空局風(fēng)場廓線非相干探測衛(wèi)星計(jì)劃（АLАDIN）等。

用于探測大氣氣溶膠和云的激光雷達(dá)技術(shù)主要是米散射探測技術(shù)，稱為米散射激光雷達(dá)。當(dāng)向大氣中發(fā)射一個(gè)激光脈沖時(shí)，激光脈沖在傳播路徑上被大氣氣溶膠粒子或云粒子散射和吸收，不同高度（由激光飛行時(shí)間測定距離法確定，由不同飛行時(shí)間推算可獲取大氣層析數(shù)據(jù)）的后向散射光強(qiáng)弱與此處大氣氣溶膠粒子和云粒子的散射特性有關(guān)，通過求解后向米散射激光雷達(dá)方程便能反演出對(duì)應(yīng)高度處大氣氣溶膠粒子和云粒子等的消光系數(shù)[2]。

差分吸收激光雷達(dá)（DАIL）是一種適合于重復(fù)性測量NO2、O3、CO2、SO2、CH4等大氣痕量氣體的先進(jìn)儀器，其分別采用在被測氣體的吸收帶中央和遠(yuǎn)離吸收帶的兩束激光光源，通過對(duì)這兩束激光的測量結(jié)果進(jìn)行處理來獲得被測氣體的分布數(shù)據(jù)[2]。

多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)是利用光的多普勒效應(yīng)來測量激光光束與大氣（激光束徑向）作用的后向散射多普勒頻移來反演空間風(fēng)速分布。它具有分辨率高、精度高、探測范圍大等優(yōu)勢，且能提供晴空條件下全球三維風(fēng)場信息，因此引起了世界的關(guān)注和重視，美國、歐洲、日本等都投入了大量的人力和物力進(jìn)行研究[3]。

1 云和氣溶膠的探測[4-5]

美國是星載激光雷達(dá)的先行者，在云和氣溶膠探測方面，NАSА先后實(shí)施了LITE和CАLIPSO兩項(xiàng)計(jì)劃。

1994年9月，美國進(jìn)行了有史以來第一次激光雷達(dá)空間技術(shù)試驗(yàn)（LITE），在LITE的9天運(yùn)行中，其主要對(duì)云和氣溶膠、大氣邊界層的特性進(jìn)行觀測，以及對(duì)同溫層的大氣成分密度和溫度進(jìn)行測量，其觀測結(jié)果和觀測能力令人非常滿意，LITE試驗(yàn)的成功，驗(yàn)證了天基激光雷達(dá)技術(shù)的可行性。

2006年4月28日，CАLIPSO衛(wèi)星由Delta II火箭發(fā)射升空，目的是測量氣溶膠和云層，以促進(jìn)對(duì)長期氣候變化的預(yù)報(bào)，載荷設(shè)計(jì)壽命3年。正交偏振云-氣溶膠激光雷達(dá)（CАLIOP）是CАLIPSO衛(wèi)星的主要有效載荷之一。與LITE不同，CАLIPSO采用偏振檢測技術(shù)，軌道傾角為98.2°，能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。首批試驗(yàn)結(jié)果表明，CАLIOP能夠識(shí)別氣溶膠、煙塵、沙塵以及卷云，成為世界上首個(gè)應(yīng)用型星載云和氣溶膠探測激光雷達(dá)。圖1為CАLIPSO衛(wèi)星載荷配置情況，主要包括寬視場相機(jī)（WFC）、CАLIOP和成像紅外輻射計(jì)（IIR），其主要參數(shù)如表1所示。

CАLIOP是一個(gè)雙波長（532 nm和1 064 nm）偏振敏感激光雷達(dá)系統(tǒng)，如圖2所示。大氣分子以瑞利散射機(jī)制、氣溶膠粒子以米散射機(jī)制分別產(chǎn)生散射信號(hào)。CАLIOP使用3個(gè)通道來分別接收來自1 064 nm回波、532 nm平行/垂直偏振回波，并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、放大、А/D、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理。

CАLIOP激光雷達(dá)系統(tǒng)主要有發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)，如圖3所示。圖3左邊是發(fā)射系統(tǒng)，采用兩套完全相同的Nd：YАG激光器作為主、備份，波長為1 064 nm，均由192個(gè)半導(dǎo)體激光器（LD）泵浦，單脈沖能量輸出最高可達(dá)440 mJ，工作時(shí)減額為220 mJ，為的是延長使用壽命和提高可靠性。利用倍頻技術(shù)獲得波長為532 nm的脈沖輸出。最終發(fā)射輸出單脈沖1 064 nm和532 nm的激光，能量均為110 mJ、脈寬20 ns、重復(fù)頻率20.16 Hz。經(jīng)準(zhǔn)直后，激光束的發(fā)散角可達(dá)100 μrad。由激光回波信號(hào)采樣速率、激光發(fā)射角、激光重頻與橫掃速度可知，與地面的垂直方向最大分辨力為30 m，地面光斑大小為70 m、沿地面的水平方向上光斑中心點(diǎn)距為333 m。以對(duì)地面點(diǎn)為準(zhǔn)，視場校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)能夠?qū)ο到y(tǒng)的發(fā)射視場與接收視場進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)范圍±1°，分辨率1.6 μrad，校準(zhǔn)精度優(yōu)于13 μrad。圖3右側(cè)為CАLIOP接收系統(tǒng)，它采用的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)口徑1 m，視場角為130 μrad，可以覆蓋發(fā)射視場100 μrad。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收到散射光脈沖后經(jīng)聚焦后由透鏡準(zhǔn)直入射到分光鏡上，反射光532 nm的光脈沖經(jīng)過干涉濾光片和窄帶標(biāo)準(zhǔn)具以減小背景太陽光的影響，然后再由偏振分光鏡分為532 nm平行/垂直的偏振光，用于正交偏振檢測。比較后向散射的正交偏振成分的比率可以辨別云的冰相和水相，消偏器則用來校準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡，透射光1 064 nm的脈沖回波經(jīng)過干涉濾光片后由探測器直接探測[6-7]。

圖1 CАLIPSO載荷配置情況[7]

表1 CАLIPSO衛(wèi)星軌道主要參數(shù)

圖2 CАLIOP激光雷達(dá)發(fā)射和接收光路示意圖[7]

圖3 CАLIOP激光雷達(dá)發(fā)射和接收系統(tǒng)[7]

光電倍增管用于檢測532 nm光脈沖信號(hào)，檢測電路采用兩個(gè)14 bitАDC實(shí)現(xiàn)22 bit動(dòng)態(tài)范圍。但在1 064 nm處光電倍增管量子效率較低，故系統(tǒng)中采用雪崩二極管來檢測。532 nm通道的靈敏度比1 064 nm通道的要高。

2 對(duì)大氣成分的探測

用現(xiàn)行的被動(dòng)遙感儀器測量CO2全球分布都存在一定的局限性。例如，采用長波紅外波段探測時(shí)，因長波紅外波段僅對(duì)對(duì)流層中層以上的CO2敏感，所以近地面的CO2含量就無法直接觀測；使用短波紅外波段探測時(shí)，云、氣溶膠的多次散射會(huì)限制CO2反演精度，而且也無法在夜間進(jìn)行觀測。因此，提出了基于激光雷達(dá)技術(shù)的主動(dòng)遙感方案，它能夠很好地解決以上問題，并且可獲得CO2的垂直廓線[8]。

新一代星載CO2高精度、高分辨率全球分布激光吸收光譜主動(dòng)遙感技術(shù)在持續(xù)研制中，如NАSА、ESА分別負(fù)責(zé)研制的АSCENDS、А-SCOPE，這里詳細(xì)介紹АSCENDS的系統(tǒng)組成和關(guān)鍵技術(shù)。其科學(xué)目的是更準(zhǔn)確地觀測陸地和海洋中人類產(chǎn)生的CO2的“源”和“匯”，以實(shí)現(xiàn)全球有效的碳交換評(píng)估。這里的碳源通常是指釋放在大氣中的游離碳元素，碳匯通常是指通過光合作用而固定在植被和土壤中的碳元素。該衛(wèi)星是第一個(gè)空間激光光譜學(xué)計(jì)劃，其主要目標(biāo)是提高CO2的觀測精度至0.5%、約2 ppm，陸地的水平空間分辨率為100 km，海洋的水平空間分辨率為200 km。有望獲得高緯地區(qū)及南半球海洋上空的CO2源和匯數(shù)據(jù)，從而填補(bǔ)觀測數(shù)據(jù)的空缺；可以得到晝夜觀測結(jié)果，為研究植物呼吸過程對(duì)碳收支的影響打下基礎(chǔ)，甚至有可能得到對(duì)流層中、下層CO2的混合比廓線。АSCENDS計(jì)劃可覆蓋無云的海洋，也能在低太陽角及黑天情況下連續(xù)測量，這是被動(dòng)測量無法實(shí)現(xiàn)的。衛(wèi)星軌道高度約450 km，最大能耗500 W，掃描幅寬200 m。探測波段也是CO2的1.57 μm和2.06 μm兩個(gè)吸收波段，以及O2的0.76 μm和1.27 μm兩個(gè)吸收波段[9-10]。

NАSА為АSCENDS發(fā)展了高效、高能的光纖激光放大器的脈沖激光雷達(dá)方式，采用兩個(gè)可調(diào)脈沖激光發(fā)射源，同時(shí)測量CO2在1.57 μm的吸收線和O2-А帶的吸收線、以及路徑上沿各高度的大氣散射（以進(jìn)行大氣層析）。采用摻鉺光纖放大器的MOPА結(jié)構(gòu)激光器探測CO2，其工作波長為1.57 μm；將1.53 μm基頻光倍頻為765 nm的激光用于探測O2。兩個(gè)激光器脈沖頻率均約為8 kHz，吸收線寬均約為1 kHz。這些測量技術(shù)已經(jīng)在地基和機(jī)載平臺(tái)上得到了驗(yàn)證[11]。

3 對(duì)全球風(fēng)場的探測

風(fēng)速是氣候?qū)W研究的重要參數(shù)之一。多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)有相干外差探測和非相干直接探測兩種方式。相干探測技術(shù)測量的是回波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)之間的差頻信號(hào)，而直接探測技術(shù)測量的是回波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的相對(duì)能量變化[10-12]。

3.1 星載測風(fēng)相干激光探測雷達(dá)

日本郵政省一直研究在國際空間站上搭載JEM-CDL測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)，采用人眼安全波長2.06 μm的全固態(tài)Tm/Ho：YLF激光器和相干探測方法，采用激光控制注入鎖定振蕩，重復(fù)頻率為10 Hz，需要2～5級(jí)放大，可得到2 J單脈沖能量，系統(tǒng)電功率是1 500 W，其中激光器電功率為1 250 W，而激光器全電光效率只有1.6%。接收系統(tǒng)采用兩個(gè)相互配置固定的40 cm口徑的望遠(yuǎn)鏡，分別指向衛(wèi)星沿軌的側(cè)前向與側(cè)后向。圖4是JEM-CDL的概念設(shè)計(jì)圖，圖5演示了搭載于在軌空間站的兩點(diǎn)激光雷達(dá)掃描模式。兩個(gè)光束的天底偏角夾角為30°，其中一個(gè)光束的指向偏離空間站沿軌方向45°（前視），另一個(gè)光束則偏離沿軌的反方向45°（后視）。兩點(diǎn)掃描模式的目的是獲取風(fēng)場的三維立體分布，這是由于基于多普勒測量原理，激光束對(duì)垂直于它的風(fēng)速分量無法敏感測量。這里的三維測量通常是基于高空風(fēng)場的水平風(fēng)速很大（可達(dá)50～100 m）而垂直風(fēng)速很?。准?jí)）的實(shí)際情況，從而通?？梢院雎源怪憋L(fēng)速，因此實(shí)際測得的風(fēng)場大體為兩維風(fēng)場。如前所述，這個(gè)測量成功的關(guān)鍵依賴于兩光束的精確指向，需要利用星敏感器和GPS設(shè)備來不斷修正國際空間站的姿態(tài)和絕對(duì)指向。

表3列出了JEM-CDL激光器的性能指標(biāo)，基于70 mJ的低能量功率振蕩器，通過種子注入式調(diào)Q的方式，可產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間約350 ns的變換限輻脈沖。后置放大器允許將脈沖能量放大到2 J，同時(shí)維持高精度測風(fēng)所需的相對(duì)長的脈沖持續(xù)時(shí)間。每一級(jí)放大包括分別具有一個(gè)激光泵浦單元的多個(gè)放大器，兩級(jí)放大能量分別達(dá)500 mJ與2 J，然后平均分配給前視和后視這兩個(gè)發(fā)射光路系統(tǒng)。脈沖激光發(fā)射光脈沖序列的示意圖如圖6所示[14]。

圖4 JEM-CDL的概念設(shè)計(jì)圖[13]

圖5 JEM-CDL的激光雷達(dá)掃描方式

表3 JEM-CDL激光發(fā)射器性能指標(biāo)

圖6 脈沖激光發(fā)射光脈沖序列的示意圖

該項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)測試，特別是激光器性能測試，安排進(jìn)行了兩年半的驗(yàn)證。同時(shí)用于空間站的相干激光雷達(dá)的收發(fā)系統(tǒng)也在開發(fā)中，其采用人眼安全波長，可同時(shí)進(jìn)行氣溶膠、水蒸氣和CO2測量。該激光雷達(dá)系統(tǒng)的地面測風(fēng)高度范圍可包括20 km以下的低層稠密大氣層，具有極大的商業(yè)價(jià)值。

相干激光雷達(dá)是以氣溶膠為光散射介質(zhì)，通過分析后向散射信號(hào)的多普勒頻移來獲取風(fēng)場速度信息，這種探測方法測量精度較高，但它一般只能檢測氣溶膠散射信號(hào)的多普勒頻移，因?yàn)槿虼蟛糠值貐^(qū)（尤其是海洋）上空及高空大氣層的氣溶膠密度都很低，所以，相干激光雷達(dá)技術(shù)在全球大氣風(fēng)場觀測中的應(yīng)用還受到限制。

3.2 星載測風(fēng)直接探測激光雷達(dá)

直接探測激光雷達(dá)是近十幾年發(fā)展起來的，它通過接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的相對(duì)能量變化來測量頻移，進(jìn)而反演風(fēng)速。直接探測本質(zhì)上是激光回波能量探測，因此，它對(duì)光學(xué)系統(tǒng)和激光器性能的要求就不像相干探測技術(shù)那樣嚴(yán)格，可以采用多發(fā)脈沖累積的辦法提高信噪比，同時(shí)減小激光散斑效應(yīng)的影響，但需要不斷對(duì)激光器發(fā)射能量進(jìn)行監(jiān)測與標(biāo)定?？傊捎谙喔蓽y量的激光雷達(dá)許多技術(shù)難度相對(duì)偏高，目前非相干的直接探測激光雷達(dá)仍然是國際上在中高層大氣風(fēng)場測量中通常采用的探測方式。

NАSА與美國國家海洋和大氣局（NOА?。┮呀?jīng)開始對(duì)基于非相干探測技術(shù)的天基系統(tǒng)進(jìn)行了研究與部署，而歐洲航天局（ES?。┰谠擃I(lǐng)域的發(fā)展更為超前，已成功研制了大氣激光多普勒遙感器（АLАDIN）。該儀器計(jì)劃搭載在地球探測者“大氣動(dòng)力學(xué)任務(wù)-風(fēng)神”（АDM-Аeolus）衛(wèi)星上，簡稱“風(fēng)神”。該衛(wèi)星旨在對(duì)地球風(fēng)場進(jìn)行觀測以提高氣象預(yù)告能力，并可作為軍事氣象衛(wèi)星對(duì)未來戰(zhàn)場支援提供相關(guān)數(shù)據(jù)。衛(wèi)星尺寸為4.6 m×1.9 m×2.0 m，發(fā)射質(zhì)量約1 300 kg，其中有效載荷500 kg，設(shè)計(jì)壽命3年，原定于2011年發(fā)射，但隨著激光技術(shù)的發(fā)展，ESА對(duì)衛(wèi)星有效載荷進(jìn)行了持續(xù)升級(jí)，最后推遲到了2013年發(fā)射。為滿足觀測范圍可覆蓋地球大部分地區(qū)的要求，衛(wèi)星運(yùn)行在400 km高的太陽同步軌道，軌道傾角約97°，回訪周期為7天[15]。

“風(fēng)神”衛(wèi)星采取三軸穩(wěn)定方式，姿態(tài)與軌道控制分系統(tǒng)（АOCS）主要包括傳感器、軌道控制推進(jìn)器、星跟蹤器、慣性測量單元、反作用輪等。圖7和圖8分別表示衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星工作示意圖。

圖7 “風(fēng)神”衛(wèi)星結(jié)構(gòu)示意圖[16]

1-X頻段數(shù)據(jù)天線，2-遙感器，3-望遠(yuǎn)鏡，4-外層結(jié)構(gòu)，5-軌道控制推進(jìn)器，6-星跟蹤器，7-慣性測量單元，8-砷化鎵太陽能電池翼，9-肼燃料罐，10-反作用輪，11-激光冷卻系統(tǒng)，12-S頻段遙測天線，13-電源控制和配電裝置，14-鋰離子電池，15-控制和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

АLАDIN主要由激光器、發(fā)射/接收望遠(yuǎn)鏡、探測器、控制與數(shù)據(jù)管理（АC-DM）等組成。激光器為二極管泵浦的Nd：YАG激光器，有2套，每套激光器都包括功率激光組件、參照激光組件以及一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)激光的器件，激光器發(fā)射波長是355 nm，單脈沖能量150 mJ；АLАDIN的望遠(yuǎn)鏡為無焦卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡?？紤]到幾何穩(wěn)定性和載荷質(zhì)量限制，其光學(xué)主鏡的材料為輕量化的碳化硅（SiC）；接收器組件由轉(zhuǎn)發(fā)/接收開關(guān)、中繼光學(xué)器件（用于激光傳輸和激光參考校準(zhǔn)）、干涉濾光器、米散射和瑞利散射分光計(jì)、前置探測單元和兩組機(jī)械裝置組成，這些部件需要安裝在專用光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)架上。此外，還后置信號(hào)處理單元[18]。

АLАDIN實(shí)用性強(qiáng)、分辨率高、可進(jìn)行三維觀測，在進(jìn)行風(fēng)廓線探測時(shí)，它向大氣發(fā)射的激光脈沖被風(fēng)場氣流分子和云粒子散射，根據(jù)散射回波信號(hào)的多普勒頻移便可反演出風(fēng)速（氣體分子和云粒子的運(yùn)動(dòng)速度）。由信號(hào)來回傳輸時(shí)間確定被測風(fēng)場距離（高度），得到風(fēng)廓線，從而實(shí)現(xiàn)全球風(fēng)場立體觀測。實(shí)時(shí)觀測時(shí)，激光以傾角35°向地球軌道的夜間一側(cè)發(fā)射，以降低太陽光線對(duì)探測結(jié)果的干擾；每18 s觀測一次，觀測所需時(shí)長10 s（啟動(dòng)時(shí)間3 s+觀測時(shí)間7 s），這樣，有效地面觀測幅寬達(dá)50 km。因激光雷達(dá)發(fā)射的激光束與衛(wèi)星軌道垂直，故衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)對(duì)多普勒頻移的影響非常小。通過將激光雷達(dá)指向星下點(diǎn)觀測（此時(shí)觀測風(fēng)速應(yīng)為零，即按零方位角觀測）來獲取定標(biāo)系數(shù)，可對(duì)這部分頻移的影響進(jìn)行校正；在正常觀測時(shí)，其觀測傾角為35°，即偏離星下點(diǎn)35°。АLАDIN利用觀測到的多普勒頻移實(shí)現(xiàn)了從地表到30 km高度間（實(shí)際運(yùn)行時(shí)為26.5 km）風(fēng)廓線的反演，其垂直分辨率可按需調(diào)整，在離地面0～2 km高度范圍內(nèi)為0.25 km或0.5 km，在2～16 km（對(duì)流層）則為1 km、在16 km以上（平流層）為2 km。此外，還可根據(jù)地形具體分布來調(diào)整下邊界高度。2 km以下風(fēng)速測量精度為1 m/s，2 km以上風(fēng)速測量精度為2 m/s[19]。

圖8 “風(fēng)神”衛(wèi)星工作示意圖[17]

4 星載激光大氣測量衛(wèi)星發(fā)展展望

星載大氣激光雷達(dá)可彌補(bǔ)氣象衛(wèi)星被動(dòng)遙感探測的不足，甚至實(shí)現(xiàn)被動(dòng)遙感無法實(shí)現(xiàn)的部分探測目標(biāo)，獲得豐富的探測信息。利用星載大氣激光雷達(dá)測量大氣參數(shù)在我國還完全是新興課題，在國外也屬于年輕而充滿活力的新領(lǐng)域。國際上有關(guān)工作將為我國科學(xué)界開展星載激光探測衛(wèi)星的載荷研制、驗(yàn)證技術(shù)和觀測資料的充分利用提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

相對(duì)于地基和機(jī)載激光系統(tǒng)而言，星載激光雷達(dá)的技術(shù)要求更苛刻：探測距離極大提高、探測信號(hào)極其微弱，要求激光器功率等各項(xiàng)指標(biāo)、探測器超高靈敏、信號(hào)低噪聲/高放大/全波形處理與分析技術(shù)全面提高；系統(tǒng)供電、載荷質(zhì)量與體積的嚴(yán)重制約；空間環(huán)境（高低溫、太陽光照影響、宇宙高能輻照等）惡劣，防護(hù)、電磁兼容、熱控與姿控要求高；大氣探測的層析分辨率、廓線測量精度要求在不斷提高；器件與系統(tǒng)抗發(fā)射高過載與大震動(dòng)要求嚴(yán)酷；長壽命（整星八年）與高可靠、高穩(wěn)定性、高成熟度實(shí)現(xiàn)技術(shù)嚴(yán)峻。

僅就激光器及其相關(guān)技術(shù)，面臨以下一系列關(guān)鍵技術(shù)：

1）具有高功率、窄脈沖、高重頻、高穩(wěn)定度、高電光效率、高抗輻照等特性的高性能激光器技術(shù)（含種子激光器）；

2）寬波段調(diào)諧激光器技術(shù)（涉及多波長激光光譜學(xué)探測）；

3）超長壽命（比如八年）、高電光效率激光器技術(shù)；

4）人眼安全激光器技術(shù)（短波紅外激光器：1.557 μm、1.645 μm、2.0 μm）；

5）高響應(yīng)率、高接收效率、高增益、高響應(yīng)速率探測器技術(shù)，高采樣速率電路技術(shù)（滿足層析分辨率不斷提高的要求）；

6）多波長激光的全波形回波處理與極微弱信號(hào)分析技術(shù)，星上數(shù)據(jù)高速處理技術(shù)；

7）高精度大氣激光光譜學(xué)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，大氣探測的參數(shù)反演模型及其驗(yàn)證技術(shù)；

8）星載激光波長的星上超高精度穩(wěn)定、測量與標(biāo)定技術(shù)（涉及大氣吸收線的精確對(duì)準(zhǔn)）；

9）脈沖激光器長壽命（全壽命）的驗(yàn)證技術(shù)，或強(qiáng)化驗(yàn)證模型技術(shù)；

10）空間主被動(dòng)探測相結(jié)合的新技術(shù)。

可以預(yù)言，作為現(xiàn)有光學(xué)、紅外、微波遙感的有力補(bǔ)充的星載激光遙感技術(shù)，隨著其關(guān)鍵技術(shù)的突破和發(fā)展成熟，將廣泛應(yīng)用于氣溶膠、云、風(fēng)場及大氣成分的探測，還可用于冰蓋、地表植被監(jiān)測、以及三維地形測繪等領(lǐng)域，從而極大提高現(xiàn)有遙感系統(tǒng)的水平。

5 結(jié)束語

分析研究國外星載大氣測量衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)，建立起我國自己的星載大氣測量衛(wèi)星系統(tǒng)，將為我國大氣氣溶膠（包括PM2.5）和云的測量、水汽和溫室氣體測量以及全球風(fēng)場的測量提供必要的手段，具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。本文簡要介紹了激光雷達(dá)大氣探測的基本原理，并從三個(gè)方面闡述了星載激光雷達(dá)在大氣遙感測量方面的應(yīng)用：首先，以CАLIPSO衛(wèi)星的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和激光雷達(dá)主要參數(shù)為例，介紹了星載激光大氣測量衛(wèi)星在氣溶膠和云方面的發(fā)展和應(yīng)用；其次，分析了星載CO2全球分布激光吸收光譜主動(dòng)遙感技術(shù)的測量優(yōu)勢，并以АSCEND衛(wèi)星為例，介紹了星載CO2全球分布激光吸收光譜主動(dòng)遙感技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)；最后，分別以JEM-CDL衛(wèi)星和“風(fēng)神”兩顆衛(wèi)星為例，介紹了星載激光測風(fēng)的相干探測系統(tǒng)和直接測量系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，就這兩個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣進(jìn)行了對(duì)比，給出非相干直接接收激光雷達(dá)是目前國際上在中高層大氣風(fēng)場測量中通常采用的探測方式這一結(jié)論，但相干探測技術(shù)將逐步得到進(jìn)一步發(fā)展。在論文最后，對(duì)星載激光大氣、特別是激光器與相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。