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星载大气探测激光雷达发展和数据应用
刘 东，王英俭，王志恩，周 军
中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室
摘要：大气探测激光雷达向大气发射激光脉冲，使用望远镜接收大气的后向散射光，经过光电探测器的转换，再将电信号采集、数字化和记录，通过相应的反演方法，得到所需要的大气参数，它是集“光、机、电、理”为一体的、定量的光学主动廓线遥感工具。
自上世纪60年代激光器发明以来，激光雷达大气探测技术就迅猛发展，根据激光脉冲与大气不同的作用原理，米散射、拉曼散射、偏振、差分吸收、多普勒、高光谱分辨、共振荧光、白光探测等技术应运而生，用于探测大气气溶胶和云，大气温度、湿度，大气风场，温室和污染气体等，充分应用到气象、气候、灾害、环境、生化和军事等领域。
随着激光技术，光学集机械加工技术和电子学采集技术的发展，大气探测激光雷达的平台也从基地，发展为可移动、船舰载和空基平台。
近20年来，由于空间激光技术和大口径轻质望远镜加工技术的发展，大气探测激光雷达已经可以成为卫星载荷，并且已经成为光学主动遥感载荷的主要发展方向之一。
目前，星载大气激光雷达主要应用于大气气溶胶和云的测量，先后经历了LITE（The lidar In‐space Technology Experiment）、GLAS（Geoscience Laser Altimeter System）和CALIPSO（The Cloud‐Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations）三个阶段。
另外，NASA（National Aeronautics and Space Administration）和ESA（The European Space Agency）都已经开始发展下一代的测量的云和大气气溶胶的高光谱分辨率星载激光雷达，来对云和大气气溶胶进行更准确的定量测量。
同时，用于测量水汽、二氧化碳等大气成分高精度、高分辨率全球分布的星载差分吸收激光雷达和用于测量全球风场高分辨率时空分布的星载多普勒激光雷达也在研制中，如ASCENDS（ACTIVE SENSING OF CO2 EMISSIONS OVER NIGHTS, DAYS, AND SEASONS），ACE（Aerosol‐Cloud‐Ecosystem Mission），ADM‐Aeolus（Atmospheric Dynamics Mission Aeolus），A‐SCOPE（Advanced Space Carbon and Climate Observation of Planet Earth）和EarthCARE（The Earth Clouds, Aerosol and Radiation Explorer mission）。
本文将结合其硬件和关键技术的发展，分别对这些星载大气激光雷达进行深入剖析，并提出我国星载大气探测激光雷达潜在的探测体制和关键技术。
由于人为和自然的原因，使得我们生存的地球在内部结构及陆地表面，以及生物圈、大气圈、海洋等各方面正在发生着显著的变化。
而要深入了解这种变化，以及这种变化会给人类和地球带来什么样的影响，首先就要使用地基、船载、空基和星载等平台，对全球进行长期的常规观测和集中联合观测，收集数据，建立模型，为正确评估提供全面科学的依据。
卫星平台正好满足了这种要求，它可以长期对全球进行观测，提供大量可靠的数据，这也是星载大气探测激光雷达发展的重要科学需求。
CALIPSO卫星是2006年4月发射升空的，它搭载了一台双波长偏振激光雷达CALIOP（The Cloud‐Aerosol LIdar with Orthogonal Polarization），目前依然在轨运行，获得了大量的全球云和大气气溶胶高分辨率时空分布的资料。
由于其具有偏振探测功能，可以分辨出大气中的非球型粒子（如沙尘气溶胶粒子）。
我们首先在全球范围内对典型气溶胶粒子（沙尘，烟尘，海洋和陆地）的体退偏振比（VDR，Volume Depolarization Ratio）进行统计分析，找出合理的阈值，再利用这个阈值，将沙尘气溶胶和其他气溶胶区分开来，首次给出了全球范围内沙尘气溶胶发生概率的三维分布图。
由于CALIOP可以提供垂直廓线，利用它的这个特点，我们还给出了非洲沙尘（African Dust）不同季节的垂直剖面图，清晰的反映了非洲沙尘发生、传输和沉降的过程和路径。
为了和已有的模式结果相比较，我们还定量反演非洲沙
第十届全国光电技术学术交流会 63 |
尘的消光系数垂直廓线，从反演结果上看，CALIOP的探测结果和模式的结果是一致的，这也验证了CALIOP探测结果的正确性。
CALIPSO作为A‐Train（the Afternoon Satellite Constellation）卫星序列的一员，如果将其数据和其他卫星（如CloudSat）数据进行融合，则可以取长补短，事半功倍。
本文将给出CALIPSO和CloudSat融合数据探测全球海洋上空降雨云、卷云、赤道强对流云和极地云的一些实例。
这些应用实例充分体现了星载大气探测激光雷达，相对于传统光学载荷而言，发挥了其独有的特点和优势，也说明了为什么光学主动廓线遥感载荷已经成为卫星载荷发展的重要方向之一。
刘东，副研究员，硕士研究生导师。
现为中国科学院合肥物质科学研究院安
徽光机所大气光学中心激光雷达探测技术研究室主任。
2005年6月毕业于安徽
光机所，获得博士学位。
2006年至2009年间，在美国怀俄明大学大气科学系做
博士后。
研制完成了我国第一台偏振激光雷达，获得国家发明专利，并成功地对
合肥上空的沙尘气溶胶粒子和卷云进行了退偏振比的测量。
在美国做博士后期
间，利用星载激光雷达的探测数据首次对全球沙尘气溶胶的三维分布做了统计研
究。
在JGR‐Atmosphere，ACP，Optical Review，Applied Optics，大气科学等期刊和会议文章30余篇，国家发明专利2项，软件登记1项。
目前研究方向为激光雷达探测新技术及数据应用研究，机载大气探测激光雷达系统研制，激光雷达业务化运行研究和星载激光雷达及A‐Train 数据分析和应用。