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。     

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。     

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。     

激光雷达探测河北望都气溶胶

多波长拉曼偏振大气探测激光雷达是用于大气气溶胶、水汽探测及特性研究的有效工具。介绍北京遥测技术研究所自行研制的多波长拉曼偏振大气探测激光雷达系统,激光发射系统发射355nm、532nm、1064nm波段激光,信号采集系统采集大气分子、气溶胶的弹性后向散射信号以及N_2、H_2O的拉曼后向散射信号。利用多波长拉曼偏振大气探测激光雷达在河北省望都县交通局绿化基地对京津冀地区气溶胶进行观测,通过反演获得该地区大气气溶胶、水汽垂直方向时空分布廓线。通过本次观测,可有效探测大气气溶胶层、云层的光学及物理性质,有助于研究气溶胶、云对气候变化和对天气演变的影响。     

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。     

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。     

星载激光雷达森林探测进展及趋势

森林是陆地上组成结构最复杂的生态系统,星载激光雷达兼具高垂直分辨率的优势和大范围数据获取的特点,在大区域尺度的森林参数定量反演方面具有独特的优势。从全波形激光雷达、光子计数激光雷达、成像激光雷达的技术特点、数据处理和森林参数提取等方面,总结了国内外森林探测激光雷达卫星载荷的发展、参数设置及应用潜力,以服务我国星载激光雷达森林探测系统的建设和发展。结合激光雷达辐射传输模型,探讨适合森林探测的激光雷达传感器参数方案,并以ICESat卫星的地球科学测高系统(GLAS)和先进地形激光测高系统(ATLAS) 数据为例,探讨星载激光雷达的森林参数反演方法,最后总结梳理了现有星载载荷的优劣并给出后续载荷发展的建议。     

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。     

多波束三维成像激光雷达高精度收发匹配方法研究

三维成像激光雷达技术为空间地理信息获取、目标立体探测提供了新的技术途径。以多波束并行收发、单光子阵列探测为特征的新一代三维成像激光雷达可提升雷达探测灵敏度、激光成像帧频与成像效率，从而实现远距离快速激光三维成像。三维成像激光雷达的激光发散角与接收视场需角秒量级的匹配精度。随着系统波束数量的增加，几十甚至上百波束的高精度收发波束匹配是系统设计装调的难点。聚焦多波束单光子阵列三维成像激光雷达的收发匹配难题，设计了基于衍射分束激光发射与光纤阵列接收的收发光学系统，提出了一种多波束激光雷达收发波束匹配方法，并对该方法的收发匹配误差源以及温度对其影响进行了详细分析仿真。实验验证结果表明，可实现64波束优于10 μrad的匹配误差，在工作温度范围内总的收发失配优于20.78 μrad，满足本系统设计时25.5 μrad的收发匹配裕量，系统对环境温度有较好的适应性，具有良好的工程应用前景。     

星载激光雷达高精高稳探测卫星系统保证技术

激光雷达探测精度高,具备全天时工作和垂直探测能力,在大气环境天基遥感领域应用广泛。基于CO_2柱线浓度激光遥感探测原理,分析了积分路径差分吸收星载激光雷达测量系统的激光波长、能量精度和稳定性及光轴指向精度等关键指标要求和功能模块配置,重点开展了星载激光雷达光机头部稳定安装、良好机热环境保障及星敏载荷一体化布局等整星层面系统设计保证,仿真结果初步表明设计方案可行。同时,提出了激光雷达波长、能量精度及稳定性实时监测、卫星对地光轴指向高精度测定和星地载荷光轴指向测量误差标定的地面试验验证要求,以确保系统设计的有效性,为激光雷达遥感卫星的研制提供了技术参考。     

星载相控阵GNSS-R测高系统设计与实验

星载GNSS-R测高系统采用多波束相控阵天线和干涉互相关处理方式,接收北斗导航卫星和GPS导航卫星发射的L波段导航直射信号与海面反射信号,进行海面高度探测。详细介绍GNSS-R测高系统设计与实现、集成和外场试验等,外场试验不仅验证了相控阵GNSS-R测高系统功能,更重要的是验证了核心软件算法的正确性。GNSS-R测高系统适用于中尺度海洋现象的观测,可在时间和空间尺度上扩展雷达高度计的观测能力,并与之相互补充,有利于对复杂海面的中尺度结构进行较高时间分辨率的观测。GNSS-R测高仪为星载高精度海面高度探测提供了新型载荷。     

光电倍增管寿命试验研究与系统设计

光电倍增管(PMT)是空间光学探测应用的重要探测器件之一,由于制造工艺的限制,光电倍增管具有很强的个体差异性。设计了一套应用于星载激光大气探测雷达的光电倍增管寿命评估自动测试系统,并建立科学的测试方法与流程,通过对光电倍增管光电响应与暗电流等关键参数的试验、监测与分析,研究评估了其寿命特性。     

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。     

星载激光测高仪脚点坐标解算方法及机载验证*

通过分析ICESat-1和ICESat-2测高载荷地面脚点坐标解算方法,对比分析多波束、单光子体制对地激光三维测绘载荷与传统的单波束、全波形体制激光测高载荷在坐标解算方法上的异同,机载与星载激光雷达坐标解算的异同,建立机载激光雷达坐标解算方法与流程,利用自主研制的机载激光雷达进行飞行试验与验证,对后期机载、星载激光测高雷达激光脚点解算具有借鉴意义。     

Multispectral remote sensing of aerosols

Aerosols are common atmospheric constituents that occur both naturally (clouds, sea spray, dust, smoke, and volcanic emissions) and artificially (smog, smoke, certain hazes, detonation products, and industrial emissions). Some, like the great dust bowl storms in the U.S. in the 1930s, are a combination of natural and manmade agents. Most aerosols are difficult to model because they are composed of small, non-spherical particles whose optical constants and particle sizes are poorly known. Spectroscopic observations of aerosols in the thermal infrared atmospheric window between 8 and 13.5 μm offer the opportunity to detect aerosols both day and night down to very low column densities. Such observations can also identify the gross chemical composition of the particles and, in some cases, the actual sizes and shapes. In this paper, we discuss thermal i.r. observations of three types of aerosols: satellite measurements of volcanic dust, ground-based observations of airborne desert soil and both ground- and space-based measurements of cirrus clouds.     

星载激光高度计几何定位误差传播分析

星载激光高度计能够获取高精度的地面高程信息,可作为卫星光学遥感影像三维测图的补充。星载激光高度计的高程测量精度很高,但是平面精度较低。为了能够更有效的利用星载激光测高数据,需要研究星载激光高度计几何定位的误差源及其对定位精度的影响。文章从星载激光高度计几何定位模型出发,推导了星载激光高度计定位误差传播模型,得到影响星载激光高度计测高数据定位精度的主要误差源,并分析了各误差源对定位精度的影响,可以为星载激光高度计的设计和应用提供一定参考。     

星载激光测距系统中激光器技术分析及发展展望

通过对美国40多年来应用于星载测距系统中的激光器技术发展历程的回顾,以及几种典型激光器的主要性能指标及其关键技术的分析,探讨了用于星载激光雷达的半导体泵浦全固态激光器的技术发展,总结了该类激光器的主要特点,并对星载测距应用的激光器技术的发展趋势做了展望。