杨巨鑫，张 扬，樊纯璨，王 勤，赵旭枫，李世光，张俊旋，卜令兵，刘继桥，陈卫标

（1.中国科学院上海光学精密机械研究所 航天激光工程部，上海 201800；2.中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 100049；3.中国科学院上海光学精密机械研究所 空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800；4.上海卫星工程研究所，上海 201109；5.南京信息工程大学 气象灾害预测与评估协同创新中心，江苏 南京 210044）

各领域对定量遥感卫星的需求越来越广泛，精度要求也越来越高［1］。国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025 年）提出，建设大气成分探测卫星，围绕大气颗粒物、污染气体和温室气体探测需求，发展高光谱、激光、偏振等观测技术［2］。大气环境监测卫星将在我国的大气环境监测中扮演着重要角色，该卫星的主载荷是大气探测激光雷达，其任务是通过在卫星运动轨迹上使用激光探测技术，高分辨率地探测全球大气气溶胶和云光学参数的垂直廓线，以研究其在监测空气质量和全球气候变化中所扮演的角色及产生的影响，气溶胶参数的卫星遥感反演已成为气候变化和大气环境等研究领域的热点问题［3］。此外，该卫星还可以全天候获得全球大气CO2柱浓度分布信息，提供的科学数据，有助于确定CO2的源和汇［4］。

机载校飞试验对卫星载荷的设计及数据应用具有十分重要的意义。美国国家航空航天局（NASA）兰利研究中心（Langley Research Center）早在2006 年就开始进行机载高光谱激光雷达对大气气溶胶光学参数的研究试验，先后总计展开了240 个航次的验证试验，试验时长达800 h。其机载试验主要是沿着CALIPSO 卫星的星下点轨迹展开，将机载同步观测的数据和卫星观测的数据做了对比分析，并对气溶胶光学特性参数、气溶胶类型、云层分布等做了对比处理，最终得出在机载激光雷达和卫星共同工作的区域。其观测的气溶胶分布及气溶胶类型都具有很好的一致性，高光谱激光雷达532 nm 消光系数廓线测量结果与机载太阳光度计（AATS-14）的试验结果非常吻合（差值小于0.001 km-1），532 nm 消光系数及气溶胶光学厚度偏差小于6%［5-8］。美国NASA 戈达德飞行中心（Goddard Space Flight Center）对ASECNDS（Active Sensing of CO2Emission Over Nights，Days，and Seasons）计划在2014—2016 年进行了多次机载验证，结果表明，IPDA 激光雷达可在不同下垫面上进行高精度的CO2柱浓度测量，其中在沙漠上空，获得了0.8×10-6的精度（1 s 平均）［9-10］。针对欧洲航天局（ESA）部署的ASCOPE（Advanced Space Carbon and Climate Observation of Planet Earth）计划和法-德联合研制的甲烷探测激光雷达（Methane Remote Lidar Mission，MERLIN），德国航空航天中心（Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt，DLR）研制了一套用于同时测量CO2和CH4的机载样机CHARMF，结果表明，反演得到的CO2浓度和原位测量仪测得的廓线对比一致性非常好，平均绝对误差约为0.6%［11-12］。2016 年，中国科学院大气物理研究所的ZHANG 等［13］进行了一次机载缩比样机飞行试验，以测试碳卫星（TanSat）的性能，试验结果表明，与OCO-2 的XCO2相比，平均偏差为0.7×10-6，标准差为0.95×10-6。

朱亚丹等［14］对机载CO2浓度探测激光雷达的误差进行了研究，结果表明，在温度、压强、湿度、能量监测和频率稳定性的不确定度分别为1 K、0.1%、10%、7.57×10-4和0.1 MHz（平均148 次后）时、线宽为60 MHz 和光谱纯度为99.996% 时，总相对误差为0.096%，绝对误差为0.381×10-6；董俊发等［15-16］搭建了一套碘分子吸收池光谱特性测试装置，获取吸收池不同温度、不同波长下的吸收特性，选取了星载高光谱激光雷达的最优碘分子吸收线（1110 线@532.245 nm）；胡文怡等［17-18］对激光雷达能量监测进行了研究，对不同能量监测方法和散斑效应进行了分析，提出了使用积分球进行能量监测且在光路中加入运动的散射片以消除积分球散斑的方法。

本文通过建立星载大气探测激光雷达（Aerosol and Carbon Dioxide Detection Lidar，ACDL）的缩比校飞样机，针对气溶胶和云探测，可以验证大气探测激光雷达原理及机载平台高光谱探测、偏振探测等的性能，为星载系统数据反演提供数据源；针对CO2探测，可以验证大气探测激光雷达原理及机载平台CO2柱线浓度测量性能，为星载系统数据反演提供数据源。开展机载CO2柱浓度探测和地面设备同步观测，开展星地对比和定标，校正星载系统偏差，实现全国星载激光CO2浓度的高精度测量，同时开展典型区域的碳排放评估分析，为“双碳”战略研究提供重要的监测数据。

1 机载激光雷达研制

1.1 机载大气探测激光雷达原理

为了进行CO2和气溶胶、云的探测，采用了不同的方法。CO2探测采用路径积分差分吸收（IPDA）激光雷达方法，使用交替发射波长相近的两束1 572 nm 激光测量CO2柱线浓度。而气溶胶和云测量则综合采用了高光谱分辨率激光雷达（High Spectral Resolution Lidar，HSRL）方法、偏振接收方法、多波长后向散射方法，以测量气溶胶和云光学特性参数的高精度垂直廓线；通过使用原子滤波器滤除气溶胶的米散射信号，可以仅使用标准大气模型直接获得气溶胶后向散射系数和气溶胶后向散射比等参数，而不需要假设激光雷达比。

1.2 机载大气探测激光雷达样机设计

中科院上海光机所和南京信息工程大学共同研制了一套星载大气探测激光雷达的机载样机。按照ACDL 的探测体制，该缩比模型是一台三波长混合探测激光雷达，其激光器输出波长分别为532.245、1 064.490、1 572.024、1 572.085 nm。机载ACDL 系统主要由3 部分组成：激光发射单元、接收光电接收探测单元和电控箱，如图1 所示。激光雷达发射三波长脉冲激光，接收望远镜接收目标的散射回波信号，回波信号由不同波段的探测通道进行接收、光电转换，然后由电控箱中数据采集系统采集。

图1 装载在飞机平台的机载大气探测激光雷达系统Fig.1 Airborne atmospheric detection lidar system mounted on an aircraft platform

激光雷达信号结合相关的辅助数据，可以开展CO2柱线浓度、气溶胶和云的光学参数廓线以及距离等信息的反演和计算。装载在飞机平台上的ACDL 系统的IPDA 激光雷达部分，能够测量激光传输路径上的CO2柱线浓度，可用于验证主、被动卫星测量的CO2柱浓度（XCO2）精度，并用于校正在轨主、被动卫星的数据反演算法；HSRL 部分能够测量激光路径上气溶胶和云的光学参数廓线。此外，飞机上还装载了单点采样的CO2原位测量仪，用于交叉验证和优化载荷系统参数。

激光发射单元由单频的连续光种子源、脉冲激光放大器器以及激光扩束系统组成，能够发射532、1 064 和1 572 nm 的三波长脉冲激光。1 064 nm 激光波长为1 064.490 nm，通过频率调制光谱技术结合碘分子吸收谱线实现频率稳定［19-20］，同时放大后输出用于气溶胶探测；1 572 nm 用于测量CO2，1 572 nm 激光发射双波长，分别为位于CO2R18 吸收线上的λon=1 572.024 nm 和吸收线边缘的λoff=1 572.085 nm，使用单频1 064 nm 激光作为泵浦光、种子注入窄线宽1 572 nm 光学参量振荡（OPO）和光学参量放大（OPA）的方法实现，经二阶非线性光学作用，将1 064 nm 泵浦光转化为两个频率较低的信号光和闲频光（1 572 nm 和3.3 μm）［21-22］；HSRL波长为532.245 nm，由1 064.490 nm 激光倍频获得。机载ACDL 系统参数见表1。

表1 机载激光雷达系统参数Tab.1 Parameters of the airborne lidar system

机载大气探测激光雷达系统光路如图2 所示。三波长脉冲激光器自身分成两路激光输出，532 和1 064 nm 激光共用一路发射直接输出，1 572 nm 激光单独一路发射，以方便收发光轴调整。回波信号由卡塞格林接收望远镜接收，经分色片分光后进入不同波长的探测通道。其中1 064 nm 通道和1 572 nm 通道探测器前使用窄带滤光片，532 nm 通道使用窄带滤光片和FP 标准具的组合来滤除背景光。532 nm 探测单元分为平行探测通道、正交偏振探测通道和HSRL 探测通道；通过综合采用HSRL方法、偏振接收方法和结合1 064 nm 探测通道的多波长后向散射方法，精确地测量气溶胶和云的光学参数廓线。1 572 nm 通道采用IPDA 的方法，使用双波长1 572 nm 激光测量CO2柱浓度，出射激光经能量分光后，90%的激光能量出射至大气中用于CO2探测，10%的能量经旋转的散射片、衰减片和积分球与1 572 nm 回波信号一起由雪崩光电二极管测量，用于监测激光能量抖动［23］。

图2 机载大气探测激光雷达系统光路Fig.2 Schematic diagram of the optical path of the airborne atmospheric detection lidar system

1.3 机载激光雷达集成

机载雷达系统光机头部主要由发射部分和接收部分组成如图3（a）所示。发射部分位于系统上层，包括激光器、反射镜、积分球等；接收部分位于系统下层，包括望远镜、中继光路、探测器等，系统总质量约71 kg。由于机载雷达对地观测，发射和接收光路均为垂直向下，为方便装调和地面测试，设计了一套工装系统，使用支架和一片45°反射镜系统，可将竖直方向光轴转化为水平方向光轴，如图5（b）所示。进行装调和水平方向观测以校正雷达盲区、水平方向上大气气溶胶观测和以墙面为合作目标的CO2浓度的观测；使用支架和两片45°反射镜系统，可将竖直向下的出射光和接收光轴转为垂直向上，进行垂直方向上大气气溶胶观测和以云为合作目标的CO2浓度观测。

图3 机载激光雷达系统Fig.3 Airborne Lidar system

图4（a）为激光雷达光机头部，图4（b）为安装在飞机机舱内的机柜，机柜和光机头部之间通过水管、电缆、光纤等进行连接，如图4 所示。

图4 机载大气探测激光雷达系统实物图Fig.4 Physical diagram of the airborne ACDL system

2 激光雷达数据反演方法

2.1 CO2柱浓度反演方法

机载IPDA 激光雷达数据反演CO2柱浓度的流程如图5 所示，提取原始信号中的λon、λoff的监测信号和硬靶回波信号，进行姿态纠正后，求出差分吸收光学厚度（DAOD）；获取温湿压数据，计算出激光传输路径上的权重函数；根据权重函数和差分吸收光学厚度计算得到CO2干空气混合比。

图5 机载IPDA 激光雷达CO2柱浓度反演流程Fig.5 CO2 column concentration inversion flow of the airborne IPDA lidar

2.2 高光谱气溶胶反演方法

机载HSRL 反演气溶胶数据流程如图6 所示。提取回波信号中的有效数据，并进行姿态校正；根据大气温压数据计算得到大气分子后向散射系数；最终反演得出气溶胶退偏系数、后向散射系数消光系数和光学厚度等数据产品。

图6 机载HSRL 激光雷达气溶胶反演流程Fig.6 Aerosol inversion data flow of the airborne HSRL lidar

2.3 1 064 nm 通道气溶胶反演方法

1 064 nm 通道测量气溶胶光学参数时，使用米散射激光雷达的Fernald 方法进行反演；由于532 nm 通道是高光谱通道，因此在反演的时候不需要假设激光雷达比就可以准确反演得到气溶胶后向散射系数和消光系数的数值，通过波长转化，可以得到参考高度处1 064 nm 对应的气溶胶后向散射系数和消光系数数值，如下：

式中：βa（λ1）、βa（λ2）分别为532 和1 064 nm 对应的气溶胶后向散射系数。

式中：αa（λ1）、αa（λ2）分别为1 064 和532 nm 对应的气溶胶消光系数为波长指数。

通常情况下，波长指数的取值范围在（0，4），与大气气溶胶粒子的平均半径密切相关。当波长指数接近零时，表明气溶胶主要是粗颗粒；而当波长指数大于1.5 时，表明气溶胶主要是细颗粒。在美国标准大气模型中，气溶胶的平均波长指数为1.3［24-25］。

3 机载大气探测激光雷达飞行试验

3.1 试验概述

机载飞行试验结合相关的辅助测量设备，机上的辅助设备分别有：获取雷达姿态信息和时间的惯性导航系统（INS）、获取飞行路径上大气参数的温湿风压传感器（AIMMS-20）、获取飞行路径上CO2浓度 的CO2原位测量仪（LGR，CO2浓度测量范围为1×10-6～2×10-2，不确定性＜1%，测量精度＜0.75×10-6@1 s）和一台用于记录下垫面类型的相机（IDS）。地面的辅助设备分别有：用于测量AOD 的太阳光度计（CE318）、用于探测气溶胶垂直分布的微脉冲激光雷达（Micro Pulse Lidar，MPL）、用于偏振探测的偏振米散射激光雷达和CO2原位测量仪（LGR）等。2019 年3 月9—19 日在华北地区先后进行了6 次正式飞行试验。

3.2 试验数据分析

3.2.1 CO2柱浓度数据分析

以2019 年3 月14 日进行的7 km 飞行试验为例，所选飞行区域依次经过了海洋、陆地及山地3 种地形。

使用匹配滤波方法，机载IPDA 激光雷达反演得到的与机载LGR 测得的XCO2的对比如图7（a）和图7（b）所示，对应的飞行路线如图7 所示，相关性为92%，在受居民区影响较小的海域，机载激光雷达反演得到的与LGR 测得的XCO2绝对偏差为1.30×10-6，标准差为1×10-6。

图7 IPDA 激光雷达系统反演的XCO2变化趋势与原位测量的仪器测量的XCO2浓度对比［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 高光谱气溶胶探测数据分析

2019 年3 月16 日进行的8 km 飞行试验的飞行轨迹与飞行高度如图8 所示。

图8 2019 年3 月16 日的飞行轨迹与飞行高度［16］Fig.8 Flight trajectory and flight altitude on March 16，2019［16］

2019 年3 月16 日试验测得的气溶胶后向散射系数、退偏和消光系数廓线时序分别如图9～图11所示，结果表明城市和人类活动密集区上空气溶胶散射系数明显高于山地上空，退偏系数约为0.1，海洋及山地上空退偏系数比陆地人口密集活动区上空，在0.5 km 以下消光系数明显增大。

图9 2019 年3 月16 日飞行轨迹上的后向散射系数廓线Fig.9 Aerosol backscatter coefficient profile on the flight trajectory on March 16，2019

图10 2019 年3 月16 日飞行轨迹上的气溶胶退偏廓线Fig.10 Aerosol depolarization profile on the flight trajectory on March 16，2019

图11 2019 年3 月16 日飞行轨迹上的气溶胶消光系数廓线Fig.11 Aerosol extinction coefficient profile on the flight trajectory on March 16，2019

机载高光谱激光雷达与位于抚宁县气象局的太阳光度计测得的气溶胶光学厚度的对比见表2，结果表明激光雷达反演AOD 同太阳光度计的AOD偏差为13.7%，小于15%的AOD 偏差要求。

表2 机载HSRL 激光雷达与地基太阳光度计测得的AOD对比Tab.2 AOD measured by the airborne HSRL lidar and ground-based sun photometer

4 结束语

通过本次试验，积累了一些极其重要的试验数据，在外场试验结束之后，就本次的试验数据做了相对全面的分析处理，通过分析首先验证了试验的有效性；气溶胶探测通道高精度测得气溶胶和云的高垂直分辨率的光学特性参数廓线，获取了气溶胶消光系数、退偏廓线和后向散射廓线，进一步分析可获取气溶胶光学厚度、边界层高度、云顶高度、云粒子相态、云的垂直分布等参数；对于CO2的测量，采用IPDA 激光雷达方法，测量了激光传输路径上的CO2柱线浓度，可用于验证主、被动卫星测量的XCO2精度，和校正在轨主、被动卫星的数据反演算法。在机载飞行平台上，验证了优于1×10-6的CO2柱浓度测量精度和优于15%的气溶胶测量精度。未来利用该机载激光雷达可以进一步开展星地对比验证试验。