国际首个星载高光谱分辨率激光雷达重要数据亮相

上海光机所陈卫标所长、刘继桥研究员课题组介绍了自行研制的国际首个星载大气环境遥感激光雷达（ACDL），基于高光谱探测技术（HSRL）获取的全球测量数据，针对监测的沙尘以及野火烟雾剖面等典型气溶胶事件进行了分析讨论，结果表明，该激光雷达为气候变化研究以及环境监测提供了“新”又“精”的垂直剖面观测手段，实现了高精度气溶胶廓线探测的国际创新跨越。该文被选为《光学学报》“空间、大气、海洋与环境光学”（SAME）专题刊封面文章，同时被收录至《SAME青年编委专辑》中。

封面解析：星载大气探测激光雷达对大气进行分层“CT”扫描，能够获取全球大气气溶胶和云垂直廓线。封面展示利用激光高光谱探测技术对大气气溶胶米氏散射信号和大气分子瑞利散射信号进行分离，分别获取大气纯分子散射信号、气溶胶和云的平行偏振散射信号以及垂直偏振散射信号的剖面，从而更精确地直接反演气溶胶和云的基本光学参数剖面。星载激光雷达高光谱探测技术已由2022年发射的大气环境监测卫星的大气探测激光雷达（ACDL）国际首次在轨成功验证。

文章来源：胡建波, 王雄, 赵少华, 王中挺, 杨巨鑫, 戴光耀, 谢缘, 竹孝鹏, 刘东, 侯霞, 刘继桥, 陈卫标. 星载高光谱分辨率激光雷达大气气溶胶和云探测研究[J]. 光学学报, 2023, 43(18): 1899901.

气溶胶对全球辐射的收支平衡以及气候变化有着不可低估的影响。为了确定大气中气溶胶分布及其变化，进而提高空气质量监测精度，对大气中气溶胶进行高时空分辨率的高精度观测十分重要。

激光雷达作为一种主动遥感探测手段，具有高时空分辨率和昼夜连续探测的优势，被广泛应用于大气气溶胶探测。相较于传统的米氏散射激光雷达，高光谱分辨率激光雷达（HSRL）可以有效分离大气气溶胶米氏散射信号和分子的瑞利散射信号，从而避免传统米氏散射激光雷达反演中需要假设激光雷达比误差较大的问题，能够直接反演出气溶胶的后向散射系数、消光系数和激光雷达比等光学参数，并显著提高反演精度。

2022年4月16日，由中国科学院上海光学精密机械研究所陈卫标研究团队研制的大气探测激光雷达（ACDL）随着大气环境监测卫星（DQ-1）成功发射。ACDL首次采用激光路径积分差分吸收技术（IPDA）测量全球二氧化碳柱浓度，并首次采用激光高光谱探测技术（HSRL）测量全球气溶胶和云的廓线，激光雷达连续在轨工作1年多，为全球二氧化碳、气溶胶的精准探测和科学应用提供了重要数据。

图1  激光雷达ACDL获取的多轨大气气溶胶和云垂直剖面

本研究主要介绍了ACDL激光雷达HSRL气溶胶和云测量结果。基于HSRL的全球气溶胶和云的532 nm波段衰减后向散射廓线数据，进行数据预处理和反演，得到气溶胶和云的退偏振比、后向散射系数、消光系数和激光雷达比等基本光学参数剖面，并利用反演得到的光学参数进行气溶胶和云的分类，结合一些典型的气溶胶事件进行分析和讨论。

撒哈拉沙漠作为全球最大的沙漠，一直是全球最大的沙尘源，因此选取了卫星经过撒哈拉沙漠的数据进行分析，图2为DQ-1卫星经过撒哈拉沙漠的地面激光足印运行轨迹。

图2 DQ-1卫星激光雷达地面激光足印运行轨迹

利用卫星激光雷达遥感数据进行反演，得到了532 nm波段气溶胶和云的光学参数如图3所示，气溶胶分类结果如图4所示。从图中可以看出卫星经过撒哈拉沙漠地区时，在0~5 km高度检测到垂直和水平路径大范围气溶胶分布，其退偏振比主要分布在0.2~0.4，激光雷达比主要分布在40~60 sr，处于沙尘和沙尘混合物的通常范围，主要为沙尘和沙尘混合物气溶胶，符合撒哈拉沙漠的一般气溶胶类型特征。

图3 激光雷达测量的气溶胶和云光学参数剖面。（a）后向散射系数；（b）消光系数；（c）粒子退偏振比；（d）激光雷达比

图4 气溶胶分类结果

自2023年5月起，加拿大山林野火灾害持续发生，对北美以及全球大气环境已经造成了较大影响。为了研究野火气溶胶的变化特征和影响，选取了2023年6月5日的DQ-1卫星途径加拿大野火发生区域上空的激光雷达遥感数据，卫星地面激光足印运行轨迹如图5所示。

图5 DQ-1卫星激光雷达地面激光足印运行轨迹

同样利用卫星激光雷达遥感数据进行反演，得到了532 nm气溶胶和云的光学参数如图6所示，气溶胶分类结果如图7所示。在纬度55.27°N~47.23°N范围，即加拿大上空5~10 km处探测到大范围的野火烟尘气溶胶，其退偏振比主要分布在0.02~0.15范围，激光雷达比主要分布在50~70 sr范围，该气溶胶以烟尘气溶胶为主，加拿大野火产生的大量烟尘随上升的气流抬升到高的对流层，逐渐形成气溶胶团，并随风飘到美国上空，但是高度逐渐降到4 km以下，并对美国区域的空气环境质量恶化产生重要影响，由此可见加拿大山火的影响范围非常广。

图6 激光雷达测量的气溶胶和云光学参数剖面。（a）后向散射系数；（b）消光系数；（c）粒子退偏振比；（d）激光雷达比

图7 气溶胶分类结果

本研究结果验证了星载高光谱探测激光雷达在大范围连续和精确观测全球气溶胶和云廓线分布的优势，为气候变化研究以及环境监测提供了全新的垂直剖面观测手段。

星载高光谱分辨率激光雷达成功在轨工作，实现了中国星载大气环境遥感激光雷达的国际创新跨越，在国际上引起广泛关注。今后将进一步开展激光雷达星地对比验证和定标研究，改进数据处理和反演方法，积极推进数据产品及其相关应用研究，特别是同被动载荷遥感卫星数据结合开展主被动数据融合方法研究，提升被动遥感数据的反演精度。

陈卫标，中国科学院上海光学精密机械研究所所长、研究员/博士导师，中国光学工程学会常务理事、中国光学学会环境光学委员会副主任委员，长期从事空间激光器和空间激光雷达遥感机理、核心技术和工程研究，是我国该领域的主要学术带头人。作为空天激光领域首席专家和总师，带领团队研制国际第一套星载二氧化碳和气溶胶联合探测激光雷达，国内首台无人机载激光测风系统，我国第一套机载陆海激光测绘系统，我国第一台月球星载激光高度计、第一台地球测绘星载激光高度计高性能激光器等，为我国探月工程、载人航天、高分专项和国家民用空间基础设施等国家重大工程做出重要贡献。荣获国家技术发明二等奖1次、中国科院杰出成就奖2次、上海市技术发明一等奖1次、上海市科技进步一等奖3次和第三届全国创新争先奖状。发表SCI论文170多篇，授权发明专利80多项，出版专著2本。

刘继桥，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员/博士导师，上海市红外遥感学会理事长，主要从事空天大气温室气体、大气气溶胶和大气风场测量激光雷达技术及载荷工程系统研究，研制了国内首套激光相干测风激光雷达，作为主要负责人之一研制了国际首个星载二氧化碳和星载高光谱气溶胶探测激光雷达。发表核心期刊论文50余篇，获上海市科技进步一等奖和技术发明一等奖各一次。