国内外星载激光测高系统的发展现状及趋势

引用格式：崔成玲,李国元,黄朝围等.国内外星载激光测高系统发展现状及趋势[C].中国测绘地理信息年会优秀青年论文,江西南昌,2015-10:288-295.

国内外星载激光测高系统发展现状及趋势

崔成玲1,2，李国元2，黄朝围2,3，张重阳2,4，李慧蕊2

(1.中国矿业大学，江苏徐州221116；2.国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心，北京101300；

3.信息工程大学，河南郑州450000；

4.辽宁工程技术大学，辽宁阜新123000)

摘要：星载激光测高是一种主动遥感探测技术，具有精度高、速度快、大范围获

取探测目标高度数据及其三维空间信息的优点，是对地球和行星探测不可或缺的手段。

该文在总结前人研究的基础上将已发射的和计划发射的星载激光测高仪进行梳理总结，将测高仪的发展归纳为三个阶段，并对三个阶段对应的测高仪发展情况进行总结与分析，最后预测了激光测高仪的发展趋势，对激光测高工作者研究空间激光器、极地冰原地形测量、森林参数反演及林业碳汇等提供参考。

关键词：摄影测量与遥感;星载激光测高;综述

1 引言

自1960年世界第一台红宝石激光器在美国诞生以来，光学的技术应用产生了深刻的变革，激光技术与其他学科技术的交叉，促进了其他领域的快速发展，激光测量技术便是极具代表性的一个交叉学科[1]。60年代激光器产生后激光测量技术飞速发展，激光雷达的概念开始被提出。随着空间激光器的成熟，美国率先将激光器搭载在探月飞船上，星载激光雷达开始由设想转为现实。1971-1972年间，美国登月计划中Apollo15、16和17号均搭载激光高度计，使用寿命较短的氙灯泵浦的机械调Q红宝石激光器[2]，是最早的激光测高系统，星载激光雷达技术开始起步。1994年至1997年间，美国航空航天局（NASA）开展了星载激光雷达探测任务，包括Clementine探月计划[3]、搭载MOLA（Mars Orbiter Laser Altimeter）的火星观测者计划[4]、SLA（Shuttle Laser Altimeter）对地观测实验[5]及搭载NLR （NEAR-Shoemaker laser rangefinder）的近地小行星探测[6]等，开始采用二极管泵浦全固态激光器（DPSLL，Diode Pump Solid State Laser）。DPSLL具有工作时间长、低功耗和体积小的特点，适合卫星载荷的工作要求，该阶段是星载激光测高仪的重要发展阶段。随着激光技术的发展，星载激光雷达技术趋于成熟，2003年到2009年间成功运行的激光测高系统：GLAS （Geosciences Laser Altimeter System）[7]、MLA（Mercury Laser Altimeter）[8]、CALIOP （Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation）[9] LALT（Laser Altimeter）[10]、LAM（Laser Altimeter）[11]和LLRI（lunar laser ranging instrument）[12]等开始转向高重频、窄脉宽的主振荡放大结构，并开始采用多光束激光器，例如LOLA（Lunar orbiter Laser Altimeter）[13][14]，该阶段激光雷达的应用领域也得以拓展。未来星载激光雷达的发展方向将是高重频、多光束、推扫式、单光子探测模式，计划发射的ATLAS（Advanced Topographic Laser Altimeter System）[15]和LIST（Lidar Surface Topography）[17]等均采用多路激光并行发射和阵列接收模式，能够获取更高精度及更高分辨率的地形及植被信息，将把激光测高系统发展推向一个新的高度。本文分三个阶段分别介绍各星载激光测高系统的主要情况，总结并

展望星载激光雷达的发展趋势。

2 主要星载激光测高系统简介

从激光二极管泵浦的全固态激光器得以应用后，星载激光雷达在天体观测中发挥了重大作用。随着技术的进步，星载激光测高系统各参数指标也不断提升。各个时期激光测高系统的参数指标如附表1。

第一阶段

Clementine探月卫星的主要任务是测试长时间暴露在太空环境中的仪器性能及对月球和近地小行星1620进行科学观测，获取南北纬60度范围内的月球测高数据及确定小行星的大小、形状、表面特性等统计资料。Clementine系统中的激光测距系统使用钕-钇铝石榴石雷射Nd-YAG（Neodymium—Yttrium Aluminum Garnet laser）发射脉冲到月球表面，反射脉冲经高分辨率望远镜被彩色滤光片分离进入硅雪崩光电二极管（SiAPD），通过测量脉冲的传输时间获得月球表面点与探测器的距离及绘制月球表面地形图。

1996、1997年美国航空航天局NASA（National Aeronautics and Space Administration）利用MOLA的备份器件进行两次航飞试验，即SLA-01和SLA-02。SLA采用电子回波回收系统以捕获和表征地表结构在100米光斑内的垂直结构信息，最后利用其径向精密轨道信息和后续测量建立基于SLA的全球控制点数据库[18]。但是SLA采用普通计数技术进行距离测量，单个脉冲只探测一个距离回波，在有云天气便无法对空气和地面植被进行测量[19]。

火星轨道雷射测高仪MOLA搭载在火星全球勘探者号上，用于探测火星地貌及构建火星精确地形图。MOLA是第一个采用二极管泵浦全固态激光Nd:Y AG zig-zag板条固体激光器的激光高度计，同时采用交叉玻罗棱镜谐振腔和铌酸锂晶体电光调Q结构，可有效减少飞船发射时振动和冲击的影响，由此提供高分辨率地形图[20]。

NLR搭载在近地小行星交汇探测器NEAR（NEAR Earth Asteroid Rendezvous）上于1996年升空，是第一个进入小行星轨道的激光测高仪，运行一年多时间里一直持续工作[21]。NLR 是一种直接检测单脉冲测距仪，使用半导体激光二极管泵浦的Nd:YAG晶体板条电光调Q 结构及偏振耦合的U型腔，谐振腔内添加小孔光阑进行限模，增加高阶模损耗以此提高输出激光的光束品质[20]。

20世纪90年代开始采用激光二极管泵浦的全固态激光器，具有寿命长、体积小、功耗低、质量轻等特点，满足当时星载激光器适应空间环境的需求，是激光测高系统的发展阶段。

第二阶段

GLAS（如图1）是第一个用于连续观测地球的激光系统，于2003年搭载在世界上首颗激光测高卫星冰、云和陆地高程卫星ICESat（Ice，Cloud and Land Elevation Satellite）上发射升空，主要任务是测量冰原质量平衡、监测云层和大气特性以及获取地形和植被信息。

图1 GLAS仪器

GLAS使用1064nm波段测量地形表面特征，532nm可见绿光波段测量气溶胶和其他大气特性。GLAS上共计携带三台激光器，由于第一、二台激光器提前停止工作[22]，NASA将第三台激光器由不间断测量调整为91天精确重复轨道周期进行测量，成为激光器轮时值守