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云–气溶胶在地球大气系统中发挥着非常重要的作用，因为它们反射和吸收太阳辐射，从而影响着地球辐射收支平衡。当太阳辐射进入大气层顶时，大约30%被云，气溶胶和地球表面反射回太空，近20%被地球大气本身吸收，大约50%到达地球表面，被地表吸收升温后，又以长波辐射的方式释放出能量，一部分通过大气折射返回太空，一部分则被大气本身吸收，反射回地表，其中气溶胶辐射强迫效应主要通过气溶胶与辐射相互作用和气溶胶与云相互作用来影响地球大气系统；云辐射效应主要取决于云粒子的相态、谱分布、云厚及云高等云参数[1-3]。联合国气候变化政府间专家委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次报告指出[4]，气溶胶是最大的不确定性辐射强迫因子之一，其中气溶胶与云的相互作用是所包括不确定性最高的辐射强迫因子之一。
可见，获取准确的全球云–气溶胶信息对气候具有十分重要的意义。科学家们探测云–气溶胶星载遥感技术主要为被动遥感技术和主动遥感技术，其中星载被动遥感技术主要包括AVHRR[5]（Advanced Very High Resolution Radiometer）、TOMS[6]（Total Ozone Mapping Spectrometer）、OMI[7]（Ozone Monitoring Instrument）、MODIS[8]（MODerate resolution Imaging Spectroradiometer）、MISR[9]（Multi-angle Imaging Spectro Radiometer）、POLDER[10]（POLarization and Directionality of Earth's Reflectances）等星载仪器探测云–气溶胶信息。这些被动遥感探测技术可获得整层气溶胶的光学厚度、粒径分布，不能有效地获得气溶胶的垂直分布；对云的探测反演可获得云的水平分布和运动、云顶部粒径分布、云顶高度等特性，但对云高探测存在很大不确定性，难以获得云的垂直结构；主动遥感技术中星载云–气溶胶激光雷达的应用，弥补了被动遥感技术探测的不足，可以对全球云–气溶胶垂直分布进行长期观察[11-13]。
较于地基、机载激光雷达，星载云–气溶胶激光雷达运行轨道高，探测范围广，具有精确获得全球云–气溶胶探测数据，如沙漠、极地及海洋，可触及到全球每个角落，还可免受底层大气的影响的特点。星载激光雷达发展于20世纪60年代，但用于探测云–气溶胶的星载激光雷达是在20世纪90年代。由美国NASA研制出第一台星载云–气溶胶激光雷达系统LITE，并于1994年发射成功[14-15]。随后俄罗斯分别在1995年和1996年研制BALKAN和ALISSA云–气溶胶探测激光雷达[16]。2003年美国NASA成功发射冰、云、陆地海拔测量卫星ICESat，并搭载地球激光测高系统（GLAS）[17]，主要任务探测南极和格陵兰冰盖高程变化，同时兼顾探测云–气溶胶垂直分布数据。2006年4月28日成功发射了由美国NASA和法国空间研究中心（CNES）共同研制的CALIPSO卫星，并搭载着主要设备正交偏振云–气溶胶激光雷达（CALIOP）[18-20]。2015年美国NASA研制出云–气溶胶传输系统（CATS）[21-23]，并于同年成功发射，安装在国际空间站ISS中。即GLAS完成探测任务之后，美国NASA研制出第二代冰、云、陆地海拔测量卫星ICESat-2仪器，并完成全部测试工作，搭载先进地表激光测高系统（ATLAS）[24-26]，于2018年9月15日发射成功，主要探测任务海洋冰厚、地形、极地冰层、云–气溶胶、植被高度等全球观测数据。欧空局（ESA）研制EarthCARE卫星，并搭载大气激光雷达（ATLID）[27-30]，完成了相关的仪器测试，于2019年8月发射。美国NASA正在开发气溶胶–云–生态系统（ACE）[31-32]，计划于2025发射，主要研究云与气溶胶相互关系。
文中对典型的星载云–气溶胶激光雷达系统特点进行了详细的分析与对比研究，并分析了当前星载云–气溶胶激光雷达系统的发展与技术方向，给出了我国研究星载云–气溶胶激光雷达系统研制的建议与展望。
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作为世界第一台星载云–气溶胶激光雷达系统LITE，由“发现号”航天飞机搭载并与1994年9月9日飞行到轨道250 km，轨道倾角为57°，进行为期10天的探测任务。LITE在10天的连续探测，其探测任务，如表1所示。如图1和2所示，分别为LITE装置图及在轨运行图。
表 1 LITE探测任务
Table 1. Detection mission of the LITE
Troposphere Stratosphere Cloud Earth’s surface Relationship between aerosol scattering ratio and wavelength height and structure of PBL Optical thickness of PBL Relationship between aerosol scattering ratio and wavelength atmospheric density and temperature within 40 km Vertical distribution, cloud cover reflectivity, optical thickness Reflectivity relation between backscatter and incident angle 
图 1 LITE装置图
Figure 1. Schematic of LITE
图 2 在轨的LITE设备
Figure 2. LITE instrument on orbit
图3为LITE系统结构图。LITE是由激光发射模块、望远镜接收器、后继光路模块、对光系统单元及数据处理电子组件组成。激光器采用灯泵浦固体Nd:YAG脉冲激光器，输出波长为1 064 、532 、355 nm；接收望远镜采用直径1 m的轻量化的里奇–克雷蒂安望远镜；后继光路收集从大气中后向散射信号，部分532 nm信号被探测器探测导出作为对准误差信号，来驱动双轴主动对光机构，实现接收与发射光学对准。1 064 nm，部分532 nm，355 nm通过分束镜分束，并使用三个探测器探测：部分532 nm，355 nm波长采用光电倍增管（PMT）探测器，1 064 nm 采用雪崩二极管（APD）探测器。
图 3 LITE系统结构图
Figure 3. LITE system functional diagram
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激光发射模块由加压密封在容器中两台相同的激光器组成，其中一台作为备用激光器。两台激光器采用具有二倍频和三倍频功能的灯泵浦固体Nd:YAG脉冲激光器。激光发射模块可以同时输出波长为1 064 、532 、355 nm；氘化砷酸氢铯（CD*A）和氘化磷酸二氢钾（Kd*P）晶体置于温控箱中，分别用于二倍频和三倍频。通过工程数据系统来收集和探测每个波长的脉冲能量；光学和电子元件全部放置在密封箱中，并充干燥的氮气，加略大于一个标准大气压来提供密封环境。激光器出光时，激光发射模块在电源28 V直流电中功率约为1 865 W，其中产生大部分的热都来自闪光灯。安装在密封箱一端的风扇提供热对流，保持箱内温度分布均匀；在闪光灯外壳提供水冷系统，故激光器产生的热大部分被与氟里昂–水热交换器传出，消除热对激光器运行的影响。激光发射模块主要性能特点如表2所示。
表 2 激光器性能参数
Table 2. Laser performance parameters
Item Value Output wavelenth/nm 1 064 532 355 Laser A output energy/mJ 470 530 170 Laser A beam divergence/mrad 1.8 1.1 0.9 Laser B output energy/mJ 440 560 160 Laser B beam divergence/mrad 1.8 1.2 1.1 Pulse repetition rate/Hz 10 Pulse width/ns 27 由一个双轴电机驱动的棱镜组成视轴组件，用于输出激光与望远镜接收视场直径的光学对准。工作过程为：激光器输出平行于正交栅格平台的激光光束离开密封箱，通过转向棱镜将激光光束成90°方向射向地球。部分532 nm后向散射大气信号通过后继光路分离，并发送到微通道板象限的检测器中，电子器件确定后向光束在象限探测靶面上的位置，并生成误差信号来驱动双轴万向机构以使系统光学对准。
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接收模块由望远镜、后继光路系统及望远镜支撑结构组成，其主要参数如表3所示。望远镜是一种里奇–克雷蒂安望远镜，较经典的卡塞洛林望远镜有着更宽的矫正视场。主镜材料采用S200B铍，次镜材料采用熔融石英。望远镜是通过后继光路系统的支撑结构支撑在正交栅格光学平台上。后继光路系统主要由探测器、光学器件和信号调节电子器件组成。分束镜将后向散射光分成了355、532、1 064 nm波长，其中采用光电倍增管(PMT)探测器探测355、532 nm波长，采用雪崩光电二极管(APD)探测 1 064 nm波长。后继光路系统还包括可移动的窄带干涉滤光片和用于白天或夜晚的可调节设备视场的光阑，其中1.1 mrad和3.5 mrad的光圈分别用于白天和黑夜的探测。
表 3 接收系统参数
Table 3. Receiving system parameters
Item Value Aft optics Wavelength/nm 1 064 532 355 Quantum efficiency 33 14 21 Color filter bandwidth/nm 675 265 60 Interference filter bandwidth/nm 0.8 0.35 1 Interference gilter transmission 46% 45% 33% Optical throughput (night) 64% 45% 42% Optical throughput (day) 29% 20% 14% Field of view (all wavelengths) Selectable:1.1 mrad, 3.5 mrad, annular, blocked Telescope Primary mirror diameter/in 37.25 Secondary mirror diameter/in 12.25 Focal length 189.0 Focal ratio F/5.1 Obscuration ratio 0.11 -
由美国NASA与法国空间研究中心（CNES）共同研制出CALIPSO卫星，于2006年4月28日发射。CALIPSO卫星在705 km高度，轨道倾角98°的轨道上运行，并搭载着主要设备CALIOP，用于探测云和气溶胶。CALIOP主要探测云和气溶胶垂直结构及性质对全球大气变化的影响。
CALIOP由激光发射系统和接收系统组成，如图4所示。CALIOP以T型光学平台为基准设计光机结构，确保发射和接收光学对准的稳定性。T型光学平台使用材料为碳–石墨复合材料，满足机械热稳定性。如表4所示为CALIOP发射系统参数。
图 4 CALIOP光机系统
Figure 4. CALIOP Optomechanical system
表 4 CALIOP发射系统参数
Table 4. CALIOP transmitter system parameters
Item Value Laser Diode-pumped Nd:YAG Pulse energy 110 mJ:1 064 nm 110 mJ:532 nm Pep rate 20.16 Hz Pulse length 20 ns Line width 30 pm Polarization purity >1 000∶1 (532 nm) Beam divergence $100\;{\text{μ} } {\rm{rad} }$ (after beam expander) Boresight range ±1°,1.6 μrad steps Laser environment 18 psia, dry air -
激光发射子系统包括两套完全相同的激光发射器，每个都有一个扩束镜，和确保发射和接收光学对准视轴校准系统。激光器采用二极管泵浦 Nd:YAG，生产出220 mJ能量的1 064 nm，并通过二倍频获得单脉冲能量为110 mJ的1 064 nm和532 nm，脉宽20 ns，重复频率20.16 Hz。每台激光器都放置在自己的密封箱中，密封环境为干燥空气，压强略超过标准大气压，通过密封箱内能量检测器监测激光器输出脉冲能量。激光器输出激光通过扩束装置后，减小其发散角从而在地球表面产生直径为70 m的光斑；使用专用的散热面板进行被动冷却。
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如图5所示，接收子系统主要由望远镜、后继光路、探测器、前置放大器和线性驱动组成，并安装在T型光学平台上。CALIOP 有效载荷如图6所示，其中信号处理和控制电路安装在有效载荷外壳的箱子中。望远镜直径为1 m，其中主镜、次镜、计量结构和内遮光筒的材料采用铍，确保机械热稳定性；遮阳板采用碳复合材料，避免太阳光直接照射镜子；与T型光学平台之间进行隔热处理。安置在望远镜焦点处的光阑抑制了杂散光，并定义望远镜视场为130 mrad(全角)。可移动的快门能够测量探测器的暗电流，其机构可以驱动消偏器进入532 nm 通道，对其进行消偏校准。偏振分束器用于分离532 nm的水平和垂直回波信号。在532 nm通道中，窄带标准具和干涉滤光片结合使用来抑制背景信号，使用探测器为PMT，可提供大线性动态范围，非常低的暗噪声信号和合理的量子效率；在1 064 nm通道中，单独使用干涉滤光片来仰制背景信号，使用探测器为APD，可提供良好动态范围和量子效率。在532 nm和1 064 nm两通道里都安装了双重14位数字转换器，可提供所需有效的22位动态范围，来确保后向散射信号都被探测到。表5为CALIOP接收性能参数。
图 5 CALIOP功能框图
Figure 5. Functional block diagram of CALIOP
表 5 CALIOP接收系统参数
Table 5. CALIOP receiving system parameters
Item Value Telescope diameter 1 m Field of view/mrad 130(full angle) Digitizer sample rate/MHz 10 Vertical sample spacing/m 15 Electronic bandwidth/MHz 2.0 Vertical resolution as determined by bandwidth/m 30 Digitizer resolution/bits 14 Maximum dynamic range(merged) 2.5 E6(>21 bits) 532 nm channel Detector PMT Etalon passband/pm 37 Etalon peak transmission 85% Blocking filter/pm 770 1 064 nm channel Detector APD Optical passband/pm 450 Peak transmission 84% 
图 6 CALIOP有效载荷
Figure 6. CALIOP payload
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云–气溶胶传输系统Cats由美国NASA在2015年1月1日发射并在同年1月22日安装在国际空间站（ISS）中日本实验模块–暴露设施（JEM-EF）中。Cats随ISS在轨道405 km，轨道倾角为51°上运行，图7为在轨示意图。2018年1月18日，云–气溶胶传输系统Cats成功地完成了为期33个月的大气探测任务，并在国际空间站上结束了运行。
图 7 在轨的CATS设备
Figure 7. CATS instrument on oribit
CATS有效载荷探测云–气溶胶完成3种探测任务：（1）提供气溶胶垂直分布的实时观测资料，输入到全球模式中；提供云–气溶胶层的廓线，以及气溶胶大小和形状信息。（2）拓展激光雷达大气探测连续性的星载激光雷达功能，可提供类似于CALIPSO的云–气溶胶廓线的探测数据，填充了数据缺口，这样的数据可以不断改善大气模式和对地球系统和气候反馈过程的理解。（3）采用高重频激光器和光子计数器来探测垂直廓线的能力以及高光谱分辨率激光雷达（HSRL）技术和355 nm的测试能力，为了未来星载激光雷达任务研发做准备。
表6为CATS主要的科学运行模式。如图8所示为CATS有效载荷模型，主要由2个高重复频率的Nd:YVO4激光器，望远镜和探测器盒组成。
表 6 CATS主要科学模式
Table 6. CATS main science modes
Science mode 1
Backsctter:532,1 064 nm
No HSRL Depolarization:
532,1 064 nmScience mode 2
Backsctter:532,1 064 nm
HSRL:532 nm Depolarization:
1 064 nmScience mode 3
Backsctter:355,532,1 064 nm
No HSRL Depolarization:
532,1 064 nmScience modes 4,5,6
Backup mode
Use laser 2 and receiver
from mode 1
图 8 CATS – ISS有效载荷
Figure 8. CATS – ISS payload
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激光器1采用Nd:YVO4激光器，从云物理激光雷达[33]设备中继承并发展而来，其性能参数如表7所示，并用于科学模式1，发射系统装备如图9所示。
表 7 激光器1性能参数
Table 7. Performance parameters of laser 1
Item Parameters Laser1 Nd:YVO4 Repetition rate 5 000 Hz Output divergence 532 nm:0.75 mrad to 1.125 mrad 1 064 nm: 0.75 mrad to 1.8 mrad Output beam diameter 532 nm:<1 300 1 064 nm:<1 300 Output beam energy 2 mJ: 532 nm 2 mJ: 1 064 nm Wavelength 532.12 nm 1 064.25 nm Line width 532 nm:45 pm 1 064 nm:100 nm Pulse width 532 nm:<10 ns 1 064 nm:<10 ns M2 532 nm:1.1-1.2 1 064 nm:1.2-13 Polarization 532 nm:>100:1 532 nm: >100:1 
图 9 激光器1发射532 nm和1 064 nm的工作台
Figure 9. Work table for laser1 emitted 532 and 1 064 nm
激光器2采用种子注入脉冲Nd:YVO4激光器，从用于机载云–气溶胶传输系统[34]的激光发射器中继承并发展而来，其性能参数如表8所示。组成的激光发射系统为激光2，主要由激光光学模块（LOM 2），激光电模块（LEM 2）和外部三倍频发生器模块（THG）组成。LOM 2产生1 064 nm和532 nm输出，通过THG产生355 nm。激光2存在两种运行模式，一种使用THG；另一种不用THG。如图10所示为激光2发射系统的结构分布图，其工作过程利用可移动的反射镜装置放置在LOM 2和THG转向反射镜之间，由控制其运动将LOM2的输出引向或远离THG，实现激光2的运行模式的转换。
表 8 激光器2性能参数
Table 8. Performance parameters of laser 2
Laser2 Injection-seeded, pulsed Nd: YVO4 2 wavelengths 3 wavelengths Repetition rate 4000 Hz Output divergence 355 nm N/A 0.7 mrad to 1.875 mrad 532 nm 0.75 mrad to 1.125 mrad 1.275 mrad to 1.875 mrad 1 064 nm 0.75 mrad to 1.8 mrad 1.275 mrad to
3 mradOutput beam diameter 355 nm N/A <1300 532 nm <1300 1 064 nm Output beam energy 355 nm N/A 2 mJ 532 nm 2 mJ 1 064 nm Wavelength 355 nm N/A 354.75 532 nm 532.12 nm 532.12 nm 1 064 nm 1064.25 nm 1064.25 nm Line width 355 nm N/A 0.08 pm 532 nm <0.5 pm 0.145 pm 1 064 nm 0.5 pm Pulse width 355 nm N/A <10 ns 532 nm <10 ns 1 064 nm M2 355 nm N/A 1.08 532 nm 1.25 1.5 1 064 nm 1.39 3.1 Polarization 355 nm N/A >100∶1 532 nm >100∶1 1 064 nm 
图 10 在工作平台上的 LOM 2和THG的实体模型
Figure 10. Solid model of LOM 2 and its THG on a platform
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CATS采用直径为60 cm的望远镜，材料采用铍，可提供较高的热稳定性结构。其视场为110 mrad，可允许
${0.5^ \circ }$ 的视角。如图11所示为组装前的望远镜，与探测器采用光纤耦合方式连接。CATS具有4个探测器标准盒，其中前2个探测器标准盒是相同的，用于模式1的LFOV和RFOV，主要包括2个532 nm平行和2个532 nm垂直后向散射探测通道，1个1 064 nm平行和1个1 064 nm 垂直后向散射探测通道的6个探测探测通道；第3个探测标准盒用于模式3，其中包括模式1的相同的6个探测通道，并添加了1个355 nm后向散射探测通道，共7个探测通道。如图12所示为用于模式1和3的探测器盒。用于HSRL探测的探测器盒，包括12个探测通道，其中有10个特定的532 nm的HSRL探测通道；1个1 064 nm平行和1个1 064 nm垂直后向散射探测通道。HSRL探测器盒的核心部分是标准具，提供HSRL探测所需的光谱分辨率，望远镜接收的后向散射光通过标准具，和带通滤波器串联使用来抑制背景光，可实现白天探测。
图 11 望远镜
Figure 11. Telescope
图 12 模式1（LFOV和RFOV）和模式3探测器标准盒
Figure 12. Detector standard boxes for Mode 1 (LFOV and RFOV) and Mode 3
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由欧空局研发，计划于2019年8月（原定于2013年）发射的EarthCARE卫星，其主要载荷有大气激光雷达（ATLID）、多普勒云雷达（CPR）、多光谱成像仪（MSI）和宽带辐射计（BBR）组成，彼此之间独立运行，并协同工作。如图13所示为EarthCARE卫星载荷探测模型图，该卫星将在393 km的太阳同步轨道上进行全球探测。
图 13 卫星和仪器观测方式几何图
Figure 13. Satellite and instruments observation geometry
EarthCARE卫星主要探测任务：（1）在全球范围内探测自然和人为的气溶胶垂直廓线和辐射特性，以及与云的相互作用；（2）在全球范围内探测大气液体水和冰的垂直分布，通过云的传输，以及其辐射的影响；（3）观测云的分布，云和降水的相互作用以及在云内垂直运动的特性；（4）通过结合反演的气溶胶和云的特性来获得大气辐射加热和冷却廓线。其中ATLID主要完成气溶胶和薄云的垂直廓线，并与其他载荷协同工作，完成探测任务。
ATLID工作波长为355 nm，提供高度0 ~20 km的100 m和20 ~40 km的500 m的垂直分辨率的大气回波信号，其测量模型如图14所示。由于ATLID采用了高光谱分辨技术，可以分离米散射和瑞利散射回波信号，从而可以获得光学厚度，其光机系统结构如图15所示。
图 14 ATLID采样和测量原理
Figure 14. ATLID sampling and measurement principle
图 15 ATLID光机系统
Figure 15. ATLID opto-mechanical system
如图15所示为了减少机械耦合及在卫星集成序列中提供良好的柔性，ATLID设计成一个独立的系统设备，其光机系统结构主要是由相互独立的发射系统和接收系统组成的收发分置的结构。发射系统结构和接收系统结构利用柔性结构安装在碳纤维夹层基板上，并且系统内部光机结构都是通过柔性结构连接，提供高稳定性的光机结构。如图16所示为ATLID的系统结构图。
图 16 仪器功能框图
Figure 16. Instrument functional architecture
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激光器主要包括功率激光头、控制发射激光电子设备以及提供种子激光的参考激光头。
参考激光头包括参考激光、种子激光和控制电子器件，提供1 064 nm的连续波输出信号，其频率可逐步调节，以便进行用于校正的扫频工作，来满足稳频需求。
功率激光器是二极管泵浦单模Nd:YAG激光器，功率为300 W，重复频率为51 Hz，脉冲宽度为25 ns，发射脉冲能量为38 mJ，波长为355 nm；谱线宽度低于50 MHz, 频谱可调范围为25 GHz。其激光头主要由产生8 mJ的低脉冲能量的主振荡器、放大脉冲能量到150 mJ的泵浦单元、二倍频以及三倍频组成，其发射的偏振为线性。如图17所示，为光束转向机构，调节精度可达到亚微米级，工作原理为通过调整激光发射视线来持续保持发射与接收在飞行过程中两轴平行。图18所示为功率激光头机械结构，该型腔由两个用密封圈的盖子进行密封，密封环境为干燥空气，压强略高于标准大气压。激光器头通过带有柔性结构的安装座安装在ATLID支撑基板上。
图 17 光束转向机构
Figure 17. Beam steering mechanism
图 18 功率激光头机械结构
Figure 18. Power laser head mechanical structure
图19所示为扩束器机械结构，通过带有柔性结构的安装座安装在ATLID支撑基板上，且输入端与功率激光头输出端柔性连接。激光通过扩束装置来减小其发散角，减少光束衍射。遮光筒设计为了保护扩束器输出端不受到外部环境污染，如在设备和卫星装配、集成、测试及飞行环境下，遮光筒有效保护了扩束器输出窗口。
图 19 扩束器
Figure 19. Beam expander
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图16所示的接收子系统主要由望远镜、后继光路、探测器等组成。
望远镜由空中客车防务及航天公司设计完成，采用无焦的卡塞格林望远镜，主要通过无焦光学继电器（包括视场光阑）提供窄视场，直径为620 mm，视场小于75 µrad，材料采用碳化硅，其具有高导热性和低热膨胀系数，可提供高稳定性结构。如图20所示为望远镜及主镜结构。
图 20 望远镜及主镜结构
Figure 20. Telescope and primary mirror structure
如图21所示为后继光路系统。由望远镜接收的回波信号进入入射滤波器（带宽小于1 nm），通过第一反射镜反射到协调对准传感器器件中分束镜，将信号中部分反射到协调对准传感器上，其余透过分束镜到第二反射镜，反射到截止滤波器（限制带宽65 µrad）中，进入用于过滤背景光的F-P标准具（带宽小于200 pm），并通过第三反射镜反射到高光谱分辨率滤波器中，分为3个探测通道，并进入光纤耦合器中，通过多模光纤耦合到探测器中。如图22所示为高光谱分辨率滤波光学原理图。
图 21 后继光路系统
Figure 21. Aft optical path system
图 22 高光谱分辨率滤波光学原理
Figure 22. High spectral resolution filtering optical principle
其中，入射滤波器、截止滤波器及光纤耦合器是由Bertin技术公司采用原始飞行模式开发的，并完成了性能测试，如图23~25所示，分别为入射滤波器、截止滤波器和光纤耦合器机械结构。如图26所示，为协调对准传感器光学器件，由CRISA开发，用于测量回波信号的光斑，精度可达到1/10像素，并完成了机械和热稳定性的测试工作。高光谱分辨率滤波器，由RUAG和SESO开发，材料采用高热稳定性的二氧化硅和微晶玻璃，带宽可控制在0.3 pm，可有效分离米散射和瑞利散射的回波信号，如图27所示为高光谱分辨率F-P标准具。
图 23 入射滤波器
Figure 23. Incoming filter
图 24 截止滤波器
Figure 24. Cutoff filter
图 25 光纤耦合器
Figure 25. Fibre coupler
图 26 协调对准传感器光学器件
Figure 26. Co-alignment sensor STM
图 27 高光谱分辨率标准具
Figure 27. High spectral resolution etalon
科学的探测功能主要由CCD探测器和仪器检测电子设备来保证，其中CCD探测器由E2V专门为ATLID开发设计，并直接安装在设备的冷板上，被动冷却−30 oC；仪器检测电子设备由CRISA设计开发。
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星载云–气溶胶激光雷达由于搭载平台的限制，特别要考虑体积、质量、功耗、热管理、寿命长、高可靠性及稳定性的约束，故针对任务需求设计光机系统需要考虑这些问题。通过以上关于典型的星载云–气溶胶激光雷达光机系统的分析可知：
星载云–气溶胶激光雷达的光源主要有低重频大能量脉冲激光器和高重频低能量脉冲激光器两大类，如LITE使用灯泵浦Nd:YAG，CALIOP使用二极管泵浦Nd:YAG，ATLID使用二极管泵浦单模Nd:YAG，都是技术成熟的低重频大能量的脉冲激光器；高重频脉冲激光器技术尝试应用在星载激光雷达中，可提高分辨率和信噪比，如CATS使用Nd:YVO4激光器和种子注入脉冲Nd:YVO4激光器；波长有1 064 nm及其二倍频532 nm和三倍频355 nm。从单脉冲能量指标可知，低重频大能量激光器的能量远远大于高重频低能量激光器，如LITE的1 064 nm可达到400 mJ以上，532 nm可达到500 mJ以上，355 nm可达到150 mJ以上；CALIOP的1 064 nm和532 nm可达到110 mJ；ATLID的355 nm可达到150 mJ；而CATS中3个波长的能量分别只有2 mJ，故采用低重频大能量激光器探测云–气溶胶的距离及信噪比远远大于使用高重频低能量激光器。从脉冲宽度指标可知，低重频大能量激光器脉冲宽度远小于高重频低能量激光器，如LITE激光器脉冲宽度为27 ns，CALIOP激光器脉冲宽度为20 ns，ATLID激光器脉冲宽度为25 ns；而CATS激光器脉冲宽度小于10 ns，使得高重频低能量激光器可以获得的空间分辨率比低重频高能量激光器小两倍以上，从而获得精细化的云–气溶胶的探测数据。从重复频率指标可知，低重频大能量激光器重复频率远远小于高重频低能量激光器，如LITE激光器重复频率为10 Hz，CALIOP激光器重复频率为20.16 Hz，ATLID激光器重复频率为51 Hz；而CATS激光器1重复频率为5 000 Hz和激光器2重复频率为4 000 Hz，高的重复频率可以有效增加单位时间内的脉冲数目，有助于提高激光的平均发射功率，从而提高其信噪比。
为了获得高稳定性激光器，在设计激光器中低重频脉冲激光器利用干燥气体密封且压强略高于一个标准大气压进行密封，如LITE的激光器采用干燥氮气来提供密封环境，CALIOP和ATLID的激光器采用干燥空气进行密封，压强都略高于一个标准大气压；在设计高重频脉冲激光器时，采用的是环境适应性实验分析来测试其稳定性，并采用柔性体连接在平台上。
星载云–气溶胶激光雷达接收望远镜大多采用典型的卡塞格林望远镜，具有较小的视场，符合星载激光雷达对望远镜视场的要求。如图28所示为卡塞格林望远镜原理图，其中F1是主镜焦点，也是副镜焦点；F2是卡塞格林焦点；S1是副镜的一个焦距，S2是副镜至卡塞格林焦点的距离。卡塞格林望远镜是典型的反射式望远镜，故还具有适合作为星载设备的优势：（1）不像折射式望远镜，其光学是不经过镜片内部，只需要保证反射镜面的性能及质量，故可以对主副镜最大限度地轻量化设计，从而减轻望远镜质量；（2）这种折叠式光路设计可以减小望远镜的体积；（3）副镜将主镜反射过来的光线聚焦到主镜背后，适合在主焦点出安装后继光路单元且不影响光线的传输。
图 28 卡塞格林望远镜原理
Figure 28. Principle of Cassegrain telescope
反射式望远镜较折射式望远镜，机械结构相对复杂，对望远镜使用的制造材料提出较高的要求。星载望远镜材料的选用主要从密度、热导率、刚度及热膨胀系数等因素综合考虑[35-38]。LITE中主镜、CALIOP和CATS使用的望远镜材料都使用了金属铍，是最轻的碱土金属，其密度只有铝的2/3，强度则是铝的6.5倍，热传导率为铝的1.3倍，热膨胀系数是铝的0.5，尤其在低温下几乎没有冷缩变形。铍具备的高的热稳定性，可大大减少望远镜由于温度的变化引起的镜片和机械结构的变形，现在已经广泛运用于星载设备。如詹姆斯·韦伯”红外太空望远镜制造材料使用的是金属铍[39]，口径达到6.5 m，超过哈勃太空望远镜（2.4 m）的2.5倍，但质量只有其一半，且机械强度足以支撑其运行4倍与地月距离的太空。ATLID使用的望远镜材料为碳化硅，其密度较金属铍大，但其莫氏硬度可达到9.5级，仅次于金刚石，故制成主副镜不需要太厚即可满足刚度需求，且不易受损。碳化硅的热导率与铝相当，但其热膨胀系数只有铝的1/10，具有极好的热稳定性，在温度变化过程中几乎不会引起结构变形，如EAS研制的Herschel太空望远镜主镜材料为碳化硅[40]。
星载云–气溶胶激光雷达的探测器主要有两大类，其中355 nm/532 nm采用的是光电倍增管（PMT）；1 064 nm采用的是雪崩二极管（APD）。PMT探测器模块包括一个光电倍增管，用于将光转换为电信号，一个高压电源电路和一个分压电路，特点：具有高的增益、光谱响应范围广（大的光敏区面积）、可将所有元件高度集成在一个模块中，具有结构紧凑，环境温度适应性高；但量子效率低，可探测的最大波长不高、容易受到外部电磁场影响而变化，故常用于接收532 nm/355 nm回波信号；其用于星载云–气溶胶激光雷达探测的技术包括：（1）光的屏蔽；（2）电场的屏蔽；（3）磁场的屏蔽。新型的PMT探测器：混合光电探测器（HPD），包含组装在真空或电子管内的半导体器件，可以在实现高效电子倍增的同时减少噪声，结构紧凑，环境适应性高。APD通过施加反向电压产生内部增益，具有比PIN光电二极管更高的信噪比，更快的灵敏度以及更低的暗电流，适用于接收1 064 nm回波信号；但其应用于载云–气溶胶激光雷达探测的技术包括：（1）控温精度；（2）供电模块；（3）狭窄空间抗干扰能力。
星载激光雷达发射与接收采用异轴结构，为了确保其两轴平行，光机系统设计中多采用自动对光系统，利用误差信号来驱动光束转向机构，确保出射光轴与望远镜轴平行，如LITE采用驱动双轴万向机构，使得出射光通过转向棱镜后的光轴与望远镜轴平行对准；CALIOP采用视轴校准系统确保出射光轴与望远镜轴平行；ATLID通过驱动光束转向机构来确保收发准直。
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星载云–气溶胶激光雷达技术向多波长高光谱分辨激光雷达（HSRL）方向发展。从美国NASA的星载云–气溶胶激光雷达发展过程可发现，从LITE、CALIOP和CATS的模式1、3、4、5、6都是利用米散射信号来假设特定参数，反演气溶胶垂直分布数据，主要不足有：必须要用无气溶胶区域的信号进行标定，且必须夜晚标定，故白天的常数未知；必须假设激光雷达比，该数值与气溶胶性能参数相关故反演精度不高。而CATS的模式2，其探测任务之一为正在开发的ACE中多波长高光谱分辨激光雷达提供实验数据，以及欧空局正在开发的ATLID都运用了高光谱分辨率技术，其探测原理如图29所示。
图 29 高光谱分辨激光雷达探测原理
Figure 29. Detection principle of hyperspectral resolution lidar
高光谱分辨技术的优势主要体现在：（1）可进行内部定标，且不需要假设激光雷达比；（2）不需要反演消光系数，可获得更精确的气溶胶层边界数据；（3）为气溶胶类型提供更可靠的探测数据；（4）具有构造三波长后向散射和两波长消光系数数据来反演气溶胶粒径及密度分辨的潜力（正在研发的ACE中激光雷达为355、532、1063 nm 3波长探测）。
星载云–气溶胶激光雷达主要技术挑战：（1）在白天背景光影响下导致系统探测距离低，故白天的背景光的有效抑制提高信噪比；（2）有云的情况下，特别是厚云出现时，往往激光穿不透云层，导致云下的高度无法探测，故无法对云层以下的云–气溶胶进行探测，特别是边界层内的云–气溶胶的探测。（3）整个系统结构的稳定性是影响星载激光雷达的使用寿命，高稳定的结构是保证整个系统的运行正常。
量子激光雷达结合了量子信息技术和激光雷达工作理论的优点，其工作原理与传统的激光雷达相比，信息载体为光的量子态，具有极高的灵敏度，可实现对极弱光信号的探测，探测距离极远，但目前其工作体制不够完善，理论尚未成熟，需要大量的理论和实验研究。随着这种探测技术的不断研究，不断成熟，为下一代星载激光雷达探测技术提供在HSRL技术之后的新型的探测技术。
多源融合、多星组网实现更全面、更系统的科学探测。单一的探测方式是无法完成探测目标的全面、系统、高效的科学探测，必须针对探测任务需求来科学配置多方式探测，实现各方式各方法优势互补，多源融合，设备协同工作，获得更全面、更系统、更精细的定量观测场。如EarthCARE卫星探测任务中，不仅搭载大气激光雷达（ATLID），而且还搭载多普勒云雷达（CPR）、多光谱成像仪（MSI）和宽带辐射计（BBR）有效载荷；ACE卫星以单星为例，其载荷主要有两台主动载荷−Ka/W 双频多普勒测云雷（CPR），355、532、1 064 nm多波长高光谱分辨激光雷达（HSRL）；两台被动载荷−水色多通道光谱计（ORCA），多角度、多光谱偏振成像仪（MSPI）。其目的是建立多种方式相结合的协同探测系统，发挥各探测手段的优势，对探测目标进行更全面、更系统的科学探测，真正能够实现全天候、全覆盖的精确探测。
随着单星试验取得不断成功，使得业务星向星座方向发展，如A-Train卫星星座有7颗卫星，分别由OCO-2、GCOM-W1、Aqua、CALIPSO、CloudSat、PARASOL和Aura组成，其中PARASOL在2013年12月28日停止运行并退出A-Train，这些业务星采用组网运行，提高星载载荷任务的时效性、全覆盖、关联性，是未来星载发展重要方向。
Opto-mechanical system structure and research progress of space-borne lidar for cloud-aerosol
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摘要: 气溶胶辐射强迫效应主要通过气溶胶与辐射相互作用(aerosol-radiation interaction, ARI)和气溶胶与云相互作用(aerosol-cloud interaction, ACI)两种途径来影响地球辐射收支平衡，联合国气候变化政府间专家委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)在第五次报告指出，气溶胶与云的相互作用是最主要的不确定性辐射强迫因子之一。在云–气溶胶全球探测领域中，星载云–气溶胶遥感雷达的探测能力与发展方向对研究者们研究全球云–气溶胶分布特点越来越重要。首先对星载云–气溶胶遥感雷达技术的应用现状进行了分析，并针对典型星载云–气溶胶激光雷达（激光雷达空间技术实验LITE、正交偏振云–气溶胶激光雷达CALIPSO、云–气溶胶传输系统CATS、大气激光雷达ATLID）的探测任务、光机系统参数、结构及材料等技术特点进行了详细的分析研究；其次从工作机制、光机系统结构、应用材料和探测能力等方面对各星载云–气溶胶激光雷达系统特点进行了对比，提出星载云–气溶胶激光雷达光机系统结构设计特点与方法；最后分析了当前星载云–气溶胶激光雷达系统技术特点及发展方向，为我国发展星载云–气溶胶激光雷达提供技术方向及发展建议。
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关键词:
- 地球辐射 /
- 星载云–气溶胶激光雷达 /
- 遥感技术 /
- 光机结构
Abstract: The aerosol radiative forcing effect mainly influences the balance of the Earth’s radiation through two pathways, namely aerosol-radiation interaction (ARI) and aerosol-cloud interaction (ACI). However, uncertainty in ACI is one of the most important uncertainties in the Earth’s radiation factor in the IPCC AR5 report. In the field of aerosol-cloud global detection, the detection capability and development direction of space-borne lidar for cloud-aerosol remote sensing plays an very important role to study the global aerosol-cloud distribution characteristics. Therefore, the application status of space-borne lidar for cloud-aerosol remote sensing was analyzed firstly, and the technical characteristics about the detection task, opto-mechanical system parameters, structure and materials of typical space-borne lidar for aerosol-cloud (LITE、CALIPSO、CATS and ATLID) were focused on. Secondly, the characteristics of each space-borne lidar for aerosol-cloud were compared and analyzed from the aspects of working mechanism, opto-mechanical system structure, applied materials and detection capabilities. The design features and methods of opto-mechanical system of space-borne lidar for aerosol-cloud were proposed. Finally, the technical characteristics and development direction of the current space-borne lidar for aerosol-cloud were analyzed. The technical direction and development suggestions for the development of space-borne lidar for cloud-aerosol were proposed in China. -
图 9 激光器1发射532 nm和1 064 nm的工作台
Figure 9. Work table for laser1 emitted 532 and 1 064 nm
图 12 模式1（LFOV和RFOV）和模式3探测器标准盒
Figure 12. Detector standard boxes for Mode 1 (LFOV and RFOV) and Mode 3
表 1 LITE探测任务
Table 1. Detection mission of the LITE
Troposphere Stratosphere Cloud Earth’s surface Relationship between aerosol scattering ratio and wavelength height and structure of PBL Optical thickness of PBL Relationship between aerosol scattering ratio and wavelength atmospheric density and temperature within 40 km Vertical distribution, cloud cover reflectivity, optical thickness Reflectivity relation between backscatter and incident angle 
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表 2 激光器性能参数
Table 2. Laser performance parameters
Item Value Output wavelenth/nm 1 064 532 355 Laser A output energy/mJ 470 530 170 Laser A beam divergence/mrad 1.8 1.1 0.9 Laser B output energy/mJ 440 560 160 Laser B beam divergence/mrad 1.8 1.2 1.1 Pulse repetition rate/Hz 10 Pulse width/ns 27
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表 3 接收系统参数
Table 3. Receiving system parameters
Item Value Aft optics Wavelength/nm 1 064 532 355 Quantum efficiency 33 14 21 Color filter bandwidth/nm 675 265 60 Interference filter bandwidth/nm 0.8 0.35 1 Interference gilter transmission 46% 45% 33% Optical throughput (night) 64% 45% 42% Optical throughput (day) 29% 20% 14% Field of view (all wavelengths) Selectable:1.1 mrad, 3.5 mrad, annular, blocked Telescope Primary mirror diameter/in 37.25 Secondary mirror diameter/in 12.25 Focal length 189.0 Focal ratio F/5.1 Obscuration ratio 0.11
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表 4 CALIOP发射系统参数
Table 4. CALIOP transmitter system parameters
Item Value Laser Diode-pumped Nd:YAG Pulse energy 110 mJ:1 064 nm 110 mJ:532 nm Pep rate 20.16 Hz Pulse length 20 ns Line width 30 pm Polarization purity >1 000∶1 (532 nm) Beam divergence $100\;{\text{μ} } {\rm{rad} }$ (after beam expander)Boresight range ±1°,1.6 μrad steps Laser environment 18 psia, dry air
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表 5 CALIOP接收系统参数
Table 5. CALIOP receiving system parameters
Item Value Telescope diameter 1 m Field of view/mrad 130(full angle) Digitizer sample rate/MHz 10 Vertical sample spacing/m 15 Electronic bandwidth/MHz 2.0 Vertical resolution as determined by bandwidth/m 30 Digitizer resolution/bits 14 Maximum dynamic range(merged) 2.5 E6(>21 bits) 532 nm channel Detector PMT Etalon passband/pm 37 Etalon peak transmission 85% Blocking filter/pm 770 1 064 nm channel Detector APD Optical passband/pm 450 Peak transmission 84%
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表 6 CATS主要科学模式
Table 6. CATS main science modes
Science mode 1
Backsctter:532,1 064 nm
No HSRL Depolarization:
532,1 064 nmScience mode 2
Backsctter:532,1 064 nm
HSRL:532 nm Depolarization:
1 064 nmScience mode 3
Backsctter:355,532,1 064 nm
No HSRL Depolarization:
532,1 064 nmScience modes 4,5,6
Backup mode
Use laser 2 and receiver
from mode 1
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表 7 激光器1性能参数
Table 7. Performance parameters of laser 1
Item Parameters Laser1 Nd:YVO4 Repetition rate 5 000 Hz Output divergence 532 nm:0.75 mrad to 1.125 mrad 1 064 nm: 0.75 mrad to 1.8 mrad Output beam diameter 532 nm:<1 300 1 064 nm:<1 300 Output beam energy 2 mJ: 532 nm 2 mJ: 1 064 nm Wavelength 532.12 nm 1 064.25 nm Line width 532 nm:45 pm 1 064 nm:100 nm Pulse width 532 nm:<10 ns 1 064 nm:<10 ns M2 532 nm:1.1-1.2 1 064 nm:1.2-13 Polarization 532 nm:>100:1 532 nm: >100:1
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表 8 激光器2性能参数
Table 8. Performance parameters of laser 2
Laser2 Injection-seeded, pulsed Nd: YVO4 2 wavelengths 3 wavelengths Repetition rate 4000 Hz Output divergence 355 nm N/A 0.7 mrad to 1.875 mrad 532 nm 0.75 mrad to 1.125 mrad 1.275 mrad to 1.875 mrad 1 064 nm 0.75 mrad to 1.8 mrad 1.275 mrad to
3 mradOutput beam diameter 355 nm N/A <1300 532 nm <1300 1 064 nm Output beam energy 355 nm N/A 2 mJ 532 nm 2 mJ 1 064 nm Wavelength 355 nm N/A 354.75 532 nm 532.12 nm 532.12 nm 1 064 nm 1064.25 nm 1064.25 nm Line width 355 nm N/A 0.08 pm 532 nm <0.5 pm 0.145 pm 1 064 nm 0.5 pm Pulse width 355 nm N/A <10 ns 532 nm <10 ns 1 064 nm M2 355 nm N/A 1.08 532 nm 1.25 1.5 1 064 nm 1.39 3.1 Polarization 355 nm N/A >100∶1 532 nm >100∶1 1 064 nm
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