大气探测激光雷达组网观测一致性研究

通过激光遥感获取气溶胶、云垂直分布情况，对研究气溶胶、云微物理特性、辐射强迫效应以及污染物传输等具有重大意义。在实际应用中激光雷达受激光器能量、发散角以及透过率等影响，会导致各雷达面对同一目标物探测数据不一致。随着地基大气探测激光雷达逐步规模化、标准化，对雷达组网观测一致性开展研究具有重要意义。为保证组网激光雷达数据高质量和高可靠性，在雷达系统自标定基础上，利用太阳光度计、大气分子模型获取激光雷达系统常数，确保各激光雷达回波信号定量可比。通过激光雷达组网观测进行探测目标一致性比对试验，以验证激光雷达系统探测一致性精度。结果表明：标定后，532 nm距离修正信号在1~2 km区间相对偏差从64.89%降低到22.16%，在2~5 km区间相对偏差从49.26%降低到8.90%，在9.5~11.5 km相对偏差从46.83%降低到10.91%；532 nm退偏比在1~2 km区间相对偏差从69.68%降低到20.68%，在2~5 km区间相对偏差从71.24%降低到6.69%，在9.5~11.5 km相对偏差从140.24%降低到9.02%；532 nm后向散射系数在1~2 km区间相对偏差从37.45%降低到23.63%，在2~5 km区间相对偏差从29.15%降低到21.45%，在9.5~11.5 km相对偏差从76.02%降低到24.16%。组网激光雷达数据结果一致性较好，可在多站点进行高精度探测，在气候变化研究、碳排放监测和环境研究等领域发挥重要作用，为大规模大气变化规律研究提供高质量、有效数据。     

大气环境监测卫星激光雷达技术

星载激光雷达是高精度测量全球大气CO2柱浓度和气溶胶垂直廓线的重要手段，大气环境监测卫星大气探测激光雷达(ACDL)在一套激光雷达中集成了2种探测体制，采用1 572 nm积分路径激光差分吸收方法测量全球CO2柱浓度，采用532 nm高光谱探测(HSRL)方法测量气溶胶和云的垂直廓线，均为国际首次在星载平台成功验证，是国际首个星载CO2探测激光雷达和国际首个高光谱气溶胶探测激光雷达。在国际已发射的星载激光雷达中，ACDL激光雷达是探测体制最全、波长最多、能量最高、频率最稳和精度最准的激光雷达，实现了创新跨越。大气探测激光雷达在轨连续工作，首次获得了全天时精度优于1 ppm的全球CO2柱浓度、精度优于20%的气溶胶廓线等遥感数据。本文介绍了ACDL激光雷达的工作原理、系统参数以及相关的定标测试结果。     

多功能大气探测激光雷达应用

激光雷达具有高的时间和空间分辨率、优越的方向性和相干性、高的探测精度和实时快速的数据获取能力，已经被广泛应用于大气探测、环境监测等领域。随着技术的发展，大气探测激光雷达由最初的单波长、单功能朝着多波长、多功能方向发展，技术更加成熟，操作更加方便。本文将介绍大气探测激光雷达的基本原理，及其在探测大气气溶胶和云、水汽、温度、污染物和大气边界层高度等方面的数据应用。最后，对多波长多功能大气探测激光雷达的数据应用发展进行了总结和展望。     

星载大气探测激光雷达技术与应用

本文对国内外星载大气探测激光雷达的原理、技术和应用等情况进行了分析和归纳。星载大气探测激光雷达的发展，是科学需求、探测理论、硬件技术、应用能力波浪式推动和迭代的过程，具有弱周期性。在云和气溶胶方面，多波长、高光谱分辨结合偏振的综合探测将为科学研究提供更精细的微观信息，而小型化微脉冲激光雷达则为星座探测提供了技术基础。在大气成分方面，积分路径差分吸收技术将能提供更精确的数据。激光雷达是对其他遥感系统的有效补充，更加注重廓线探测、空间分辨和测量精度，在水平覆盖、探测效率等方面存在天然不足，激光雷达与其他遥感手段结合，才能构建更加科学的观测体系，为科学研究和遥感应用提供更有力的支撑保障。     

多通道高计数率单光子计数系统的设计与实现

光子计数探测具有极高的探测灵敏度，已成为大气探测激光雷达的主流探测手段。设计了一种基于FPGA的8通道高计数率单光子计数系统，提出了一种基于多相时钟过采样的光子脉冲检测方法，实现了2 ns的光子脉宽分辨率、200 MCPS的光子计数率、无死时间的连续多通道同步计数，具有高计数率、高实时性、高集成度的特点。系统已装备于北京遥测技术研究所研制的多波长拉曼偏振大气探测激光雷达中，在激光雷达大气遥感中发挥了重要作用。     

大气探测激光雷达校飞样机研制与飞行验证

星载激光雷达是高精度测量全球温室气体和气溶胶垂直廓线的重要手段，大气环境监测卫星大气探测激光雷达(ACDL)在国际首次采用激光积分路径差分吸收技术测量全球CO2柱浓度，采用532 nm高光谱探测技术测量气溶胶和云的廓线。星载激光雷达载荷研制期间，同步研制一套主要功能一致的机载大气探测激光雷达校飞样机，并开展机载飞行试验，获取了大量飞行试验及其对比数据，提供了机载平台真实的数据源，对于优化ACDL激光雷达系统参数和研究星载数据反演算法至关重要。最后在机载飞行平台下，验证了优于1 ppm的CO2柱浓度测量精度和优于15%的气溶胶测量精度。未来利用该机载样机可以进一步开展星地对比验证。     

美国云和气溶胶星载激光雷达综述

气溶胶的探测,尤其是全球范围内气溶胶的探测,不仅对预测未来气候的变化有重要帮助,而且可以对遥感图像的大气校正提供重要大气参数,而星载激光雷达则是实现全球气溶胶探测的最有效的手段。美国是星载激光雷达的先行者,在气溶胶探测方面,它先后实施了LITE和CALIPSO两项计划。LITE试验的成功,验证了天基激光雷达的可行性,而CALIPSO上激光雷达CALIOP的在轨正常运行,则实现了星载激光雷达的应用。文章着重介绍和评述了美国云和气溶胶星载激光雷达的发展、收发装置以及观测结果等。     

大气环境监测卫星方案设计与技术特点

大气环境监测卫星(DQ-1)是国家民用空间基础设施中长期发展规划中的科研卫星，其运行于705 km高度的太阳同步轨道，装载大气探测激光雷达(ACDL)、高精度偏振扫描仪(POSP)、多角度偏振成像仪(DPC)、紫外高光谱大气成分探测仪(EMI)及宽幅成像光谱仪(WSI)等5台遥感仪器，通过主动激光与被动高光谱、多光谱、多角度、偏振等手段结合，实现对大气CO2、细颗粒物、污染气体、云和气溶胶等要素，以及对大气环境、水环境和生态环境等进行大范围、连续、动态、全天时的综合监测;卫星CO2柱浓度探测精度优于1 ppm，为国际最高。卫星入轨后各分系统工作正常，在轨测试结果均满足要求，能够进一步提升我国大气环境综合监测、全球气候变化和农作物估产、农业灾害等应对能力，推动生态环境、气象、农业农村等领域遥感应用。本文概述了DQ-1卫星的总体设计方案，总结了卫星的主要技术特点及创新点，介绍了卫星系统在轨测试情况，并对卫星的应用前景进行了展望。     

空间主动光电遥感现状及发展

空间主动光电遥感技术在空间对地观测和深空探测等领域具有广阔的应用前景,探测对象包括地球和地外天体三维地形、地球植被垂直分布、大气气溶胶与云的垂直分布、大气温湿廓线、大气风廓线和特殊气体浓度等。为系统梳理空间主动光电遥感技术,综合分析了国内外空间主动光电高程探测载荷和大气垂直廓线探测载荷的发展历史和现状,提出了未来我国在多波束单光子三维地形探测、高光谱分辨率激光大气探测、差分吸收激光大气探测、激光掩星大气探测和激光海洋探测领域开展更深入研究的建议。     

星载云、气溶胶遥感雷达技术现状与发展趋势

大气云与气溶胶在全球气候和环境变化过程中扮演重要的角色。星载云、气溶胶遥感技术主要包括成像光谱仪等被动探测技术、激光雷达技术以及毫米波雷达技术。相比被动遥感技术,激光雷达、毫米波雷达可探测云、气溶胶垂直剖面,获取云、气溶胶三维空间分布信息。首先介绍星载云、气溶胶遥感技术特点与优势,接下来介绍星载云、气溶胶遥感激光雷达与毫米波雷达技术现状,最后给出星载云、气溶胶遥感雷达技术的发展趋势。     

空-地激光通信链路地面站选址大气信道传输因素研究

对影响空-地激光通信链路地面站选址的大气信道传输因素进行了理论及数值模拟分析、研究。研究表明：(1)大气信道对不同波长激光传输的影响程度不同；(2)能见度越好，大气衰减效应对激光传输的影响越小；(3)激光传输在海拔较高的大气分层中受到的衰减比海拔低的层段小；(4)0．53μm、0．8μm、1．06μm波段激光传输受气溶胶衰减的影响比分子吸收和散射更严重；(5)大气湍流效应会降低直接探测系统的信噪比，恶化传输光束的空间相干性，降低相干探测系统的信噪比。结合部分我国气象统计分析资料及地理分布特点，建议我国空-地激光通信链路地面站选址可多考虑大气衰减及湍流效应影响相对较弱的高海拔、少雾、多晴的西部乡村地区。     

“高分五号”卫星概况及应用前景展望

"高分五号"卫星是中国高分辨率对地观测系统重大专项中实现高光谱分辨率观测的卫星,运行于高度705km的太阳同步轨道,装载可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪、大气主要温室气体监测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪等6台有效载荷,具备高光谱与多光谱对地成像、大气掩星与天底观测、大气多角度偏振探测、海洋耀斑观测等多种观测手段,获取从紫外至长波红外(0.24~13.3μm)高光谱分辨率遥感数据;载荷的光谱分辨率最高可达0.03cm~(–1),具备在轨定标功能,绝对辐射定标精度优于5%,光谱定标精度最高可达0.008cm~(–1)。卫星将在环境综合监测、国土资源调查和气候变化研究等方面发挥重要作用。     

激光雷达对沉潜油探测的探索*

目前,人们对于海洋沉潜油的规律研究及控制水平较低,特别是探测30m深度以内的浅海地区的沉潜油分布信息,其主要原因是缺乏快速有效的探测手段。北京遥测技术研究所开发水下探测激光雷达样机,利用激光在海水中良好的透过特性,用于对水下沉潜油的探测以及对海底等目标的高精度探测。样机完成在水池中进行水下沉潜油的模拟探测试验,对沉潜油样本的典型激光回波信号进行采集分析,并测量模拟探测深度。试验结果基本符合设计预期,为进一步提升激光雷达沉潜油探测能力打下良好基础。     

星载主动遥感气溶胶-云参数技术需求与进展

面对越来越迫切的气象和气候预测及大气环境监测需求，利用主动星载仪器在全球范围内探测云和气溶胶参数成为快速发展的研究领域。相比被动遥感仪器，主动仪器可以获取云和气溶胶参数的垂直分布信息，这将在天气气候模式的改进方面发挥重要作用。通过云和气溶胶遥感需求分析，从雷达数据应用角度，首先介绍了数值模式对云和气溶胶的科学参数需求和定量需求，进一步分析了云和气溶胶联合观测的需求，以及星载微波激光雷达的探测特点；然后对国内外正在规划的星载云和气溶胶微波激光雷达探测任务进行了综述，包括仪器指标和数据产品设计；最后展望这一领域的应用前景。     

脉冲展宽对深空激光通信的影响与补偿研究

深空激光通信系统下行链路的脉冲位置调制PPM（Pulse Position Modulation）信号在经过大气信道传输和单光子探测器接收时,将出现脉冲展宽效应,引起通信系统性能下降。分析了大气信道中的淡积云云层散射、大气湍流与气溶胶散射和单光子探测器的抖动特性所引起的脉冲展宽效应。在此基础上,仿真分析了淡积云云层物理厚度对不同PPM调制阶数下通信速率的影响,并研究了单光子探测器引起的脉冲展宽产生的抖动损失。为补偿脉冲展宽的影响,提出了一种基于时隙似然比解调的补偿方法,通过仿真验证了该方法能够有效降低深空PPM激光通信链路中脉冲展宽对通信误码率的影响。该研究对分析和提升深空PPM激光通信系统的链路性能具有一定的参考意义。     

高光谱观测卫星及应用前景

介绍了我国高分辨率对地观测系统重大专项中第一颗实现高光谱分辨率观测的高光谱观测卫星(GF-5)卫星及其应用前景。该卫星设计运行于高度705km的太阳同步轨道,装载可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气主要温室气体监测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪共6台有效载荷。卫星的光谱分辨率高且谱段全,具备高光谱与多光谱对地成像、大气掩星与天底观测、大气多角度偏振探测、海洋耀斑观测等多种观测模式,获取从紫外至长波红外(0.24~13.3μm)高光谱分辨率遥感数据;数据辐射分辨率高,载荷的光谱分辨率最高0.03cm-1,具备在轨定标功能,绝对辐射定标精度优于5%,光谱定标精度最高0.008cm-1;长波红外空间分辨率高;高码速率数传;高可靠长寿命设计。卫星入轨后将在环境综合监测、国土资源调查和气候变化研究等方面发挥重要作用。其典型应用有陆表环境综合观测、陆表局地高温及城市热岛效应监测、矿物填图、大气成分全球遥感监测和大气污染气体监测等。     

大气环境监测卫星校飞试验设计与验证

针对大气环境监测卫星上国际首次采用主被动结合探测体制的效能,在卫星研制初样阶段开展了多载荷综合探测航空校飞试验,验证了大气探测激光雷达(ACDL)探测性能以及双偏振载荷匹配探测原理,并为地面应用系统提供真实遥感数据源,验证数据处理方法的正确性。详细介绍了大气环境监测卫星校飞试验的总体设计方案,系统阐述了试验目的、系统构成、试验过程,对试验结果进行了详细分析,为卫星发射入轨后应用效能保证奠定了基础,同时为后续校飞试验积累了经验。     

机载大光斑植被激光雷达系统设计

大光斑激光雷达,由于其光斑尺寸更大,可以获取更丰富的森林冠层结构的详细信息,因此对郁闭度较高的森林区域,测量优势更加明显。首先对大光斑激光雷达系统的探测能力进行仿真,验证方案的可行性;随后对大光斑激光雷达系统中的激光器、探测器、光学系统以及信号采集系统进行设计以及集成,形成了一套完整、稳定、实用的航空大光斑激光雷达机载系统。     

基于压缩感知理论的合成孔径激光雷达成像算法

合成孔径激光雷达是一种主动式有源激光成像雷达,它具有远高于微波合成孔径雷达的成像分辨率,能够实现对远距离目标的精细成像。由于激光信号的带宽极大,普通的硬件设备难以满足奈奎斯特采样定理的要求。提出一种基于压缩感知理论的合成孔径激光雷达成像算法,该方法利用光外差方法探测回波信号,在此基础上通过对外差信号进行随机采样提取信号中的有效信息,使用正交匹配追踪算法实现对目标高分辨距离像图像的重构,最后结合频率变标算法得到目标的高分辨二维图像。仿真结果表明运用新算法对合成孔径激光雷达的回波信号进行采样,能使用远低于奈奎斯特定理所规定的采样率完成信号采样,并有效压低信号旁瓣,实现对目标的超高分辨成像。
     

大气环境监测卫星星载激光雷达二氧化碳遥感反演方法及精度验证

目前卫星被动遥感二氧化碳存在空间覆盖不足、时空分辨率不够、地球两极和夜间缺少数据等问题，对二氧化碳的源汇研究带来很大的不确定度，同时也制约着利用卫星遥感温室气体探究全球变化。2022年4月我国发射了全球首颗搭载主动激光雷达探测二氧化碳的卫星-大气环境卫星。其上搭载了的气溶胶和碳探测激光雷达(ACDL)，利用1 572 nm的两束激光，可以反演干空气中加权平均的二氧化碳柱浓度。初步与香河站(全球碳柱总量观测网)站点比对的平均偏差为0.48 ppm，Sodankyla(全球碳柱总量观测网)站点的比对的平均偏差为0.8 ppm，精度超过被动遥感卫星。