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激光遥感在航天中的应用
陈育伟
1960年当梅曼利用红宝石研制出人类第一台激光器以来，激光以其单***、高亮度和良好的方向性的特点，广泛的运用于测距，测速，大气研究，海洋研究，军事，制冷等领域。目前在航天领域都有类似的实际系统或者原型系统达。1988年NASA研制激光大气风探测器(LAWS),LAWS是基于CO2的激光器，分辨率1Km左右，利用不同高度上背向散射测量底层水平风场。ESA在上世纪80年代也展开了类似的研究。为了探测全球大气风场分布，欧空局将在2007年发射ADM－AEOLUS(AtmosphericDynamicMission-AtmosphericExplorerforObservationwithLidarinUltravioletfromSpace)。其核心部件是一台355nm的紫外非连续多普勒激光雷达，对地观测角度偏离天底点35度
图5ADM－AEOLUS的假象图
气溶胶和云的测量激光雷达在大气气溶胶遥感测量和云遥感测量方面具有独特
的优势。由于其观测是基于大气和气溶胶中微小粒子的散射和吸收特性，所以它能够获得更大量、更精细的气溶胶和云层信息对开展云层结构和形成，气溶胶变化过程是非常重要的。
基于机载和陆基大气雷达的经验，1994年，NASA在航天飞机上利用LITE(LidarinSpaceTechnologyExperiment)做了有关激光雷达对于云层和气溶胶的探测实验，实验进行了两周，获得了巨大的成功，实验得到了前所未有的关于大气的垂直结构。之后NASA又计划在GLAS和PICASSO-CENA激光雷达中再次进行类似实验。
水汽和臭氧测量利用大气中不同气体对于两个波长激光吸收率的不同，可以探测气体在空间的分布。目前激光雷达实验逐渐转向以测旦臭氧和水气的差分吸收激光雷达为主。因为臭氧是大气的主要元素，影响有关大气的重要的化学和辐射过程。水气是大气最主要的成份，对气候、大气传输、气象和大气化学有重要影响。
利用差分吸收的激光雷达可以进行对流层水汽和气溶胶分布的遥感测量。研究水汽在云层和大气中的垂直分布。分析降雨模型，进行中长期天气变化研究。
上世纪90年代末期，NASA开始在机载DIAL(DifferentialAbsorptionLidar)的基础上，联合加拿大空间署研发了ORACLEDIAL(OzoneResearchwithAdvancedCooperativeLidarExperiments),整个系统采用紫外波段(305-320nm)测量臭氧层的外形和体积。通过可见光(520nm-600nm)和近红外(960-1060nm)的回波信号测量气溶胶和云层的体积。下表所示为ORACLEDIAL的大致参数。系统的轨道高度为400kM
ORACLEDIAL
参数
波长(nm)
308/320
524
1047
脉冲功率(mJ)
500
75
300
重复频率(Hz)
7
光束发散角(mrad)

30
99


滤光片半脉宽(nm)
（白天）UV
（白天）IR/V
光学效率
探测器量子效率(%)
（白天）（晚上）
25
（白天）（晚上）
20
脉冲宽度(ns)接收望远镜有效口径(M2)频谱纯净度(%)接收视场(mrad)
-15
系统噪声等效功率w/Hzi/2
表1:ORACLEDIAL的参数表
为了探测高空水气的垂直分布，ESA将于2010年发射WALES(WaterVaporLidarExperimentinSpace)，核心仪器是采用4个波段的出射激光的DIAL(DifferentialAbsorptionLidar)这在目前的相关仪器中，波段数目最多。其得到的数据的相对错误率＜20%,方差＜5%,—，可以探测星载平台到16Km以上大气中的水气分布。对于同温层到平流层水气分布的研究将有助于人们对于气象的深入研究。
puls#Uraln
KUti-WAvabangthraaartesnmttteff
图6WALS的模拟图
30
99
在研制实际系统的同时，国外对某些尚处于原理性的应用做了尝试性的研究，例如德国的Rainer和Oliver在机载激光荧光对海观测的基础上，对于星载水文测量激光雷达
(HydrographicLidar)进行了一些研究，此类激光雷达主要采用多个高速光电倍增管作为接收探测器，,光电倍增率为104。利用激光荧光检测叶绿素分布等水体信息。该类系统目前最大的工艺瓶颈在于大功率星载激光器的研制，为了达到一定的覆盖率，激