激光遥感在航天中的运用

激光遥感在航天中的应用
陈育伟
1960年当梅曼利用红宝石研制出人类第一台激光器以来，激光以其单色性、高亮度和良好的方向性的特点，广泛的运用于测距，测速，大气研究，海洋研究，军事，制冷等领域。

目前在航天领域都有类似的实际系统或者原型系统。

1．星载激光高度计
早在60年代中期，就有科学家提出激光主动遥感的概念。

一系列机载原型系统由此诞生，随后人们逐渐将类似系统应用于星载平台。

见于资料的最早用于星载的激光高度计为美国阿波罗-15号所载的激光高度计，作为深空探测不可或缺的载荷，在各个深空探测（金星除外）的卫星中都可以看到激光高度计的影子。

星载激光高度计技术是一种主动遥感技术，具有受环境影响小、可以观测整个球体等优点，在地球观测和行星探测等方面发挥了重要作用。

星载激光高度计通过测量发射与接收激光脉冲之间的时间间隔和对回波大小、形状进行分析，为地球物理学、环境学和行星地质学等研究提供表面高度、坡度和反射率等数据。

结合卫星轨道变化，还能研究诸如重力场、密度分布、地壳厚度等行星内部结构。

因此星载激光高度计在天体特征研究、陆地表面冰川海平面高度变化和等方面都可发挥重要作用。

1994年，美国Clementine探月计划中，采用激光高度计获得高精度月球表面特征信息。

1996、1997年，NASA利用火星观测激光高度计（MOLA）研制过程中的备份器件，进行了航天飞机搭载激光高度计试验，即SLA-01和SLA-02。

1999年，搭载了MOLA的火星全球轨道器（MGS）进入火星轨道，获得了大量火星表面的物理特征数据。

2000年，“近地小行星交会”探测器（NEAR）搭载激光高度计（NLR）飞抵Eros小行星进行观测，绘制其三维外形图。

2003年，NASA将地球科学激光高度计（GLAS）搭载在ICESAT卫星上，观测北极地区冰层和海洋冰川的变化。

欧洲航天局将于2007年发射的水星探测器MOP （Mercury Planetary Orbiter）和日本的推迟到2006年发射的月亮女神（SELENE）探月卫星，也都搭载了激光高度计。

随着“嫦娥”探月工程的启动，国内也加紧了星载激光高度计的研究步伐。

计划于2006
年底发射的探月卫星，将搭载我国第一台星载激光高度计，为绘制月球三维影像提供表面高度数据。

星载激光高度计主要由激光发射系统和回波接收系统两部分组成。

回波接收系统主要负责探测回波脉冲，记录和处理脉冲回波波形，测量高度计到照射表面的距离，是决定激光高度计性能的一个关键系统。

与一般激光测距仪回波接收系统区别在于：
①工作距离远。

最近50km(NLR)，最远超过700km(GLAS)。

照射光斑面积大，导致回波
特征复杂。

②受发射重量和卫星电源负载能力制约，对系统体积、重量、功耗控制严格。

NASA为未
来深空探测发展的小型低功耗激光高度计(MLLA)，设计指标要求达到整体重量<3.5kg，平均功耗<6W，工作距离>100km。

③工作环境恶劣，连续工作时间长。

一般要求在轨持续观测1年以上。

③测距性能难以验证。

等效距离折算和和回波特征模拟还需继续研究。

有一个应用的特例是目前正在研制的LAPS系统，该系统作为载荷降落在获悉表面以前着陆点的判定上，大致过程如下，在系统降落的过程中打开降落伞，使用前向惯性和伞绳引起的左右侧摆作为着陆区域的两维扫描，在形成的高程图中选择合适的着陆点位置，同时启动系统自带的推进系统，飞向着陆点，而不是类似这次火星探路者计划中采用了类似安全气囊的着陆方式。

图1 扫描图2 着陆地区高程图
图3 控制着陆图4 样机大小
2．大气探测激光雷达
研究星载激光雷达的主要目标之一是为了获得高精度、高垂直分辨率绘制四维大气压力和温度场的空间遥感能力，以提高我们对大气过程和气候变化的理解。

压力和温度是数值天气和气候预报模型的两个基本变量。

被动遥感只能提供温度测量，得不到大气压力的测量结果。

星载激光雷达可以通过多波长差分吸收技术获得精确的压力和温度测量数据，同时还得到优于1Km的垂直分辨率。

此外星载激光雷达还可以用于
(1)风场测量利用多普勒效应，可以测得风速，高空间分辨率和时间分辨率的测风对大气建模和预测各种大气现象是重要的，多普勒激光雷达在测量低层大气风场方面具有独特的优势。

使用星载激光雷达通过测量来自大气中运动气溶胶的米氏散射和大气分子的瑞利散射，可以获得三维空间的大气风场的立体结构。

通过星载观测研究全球大气风场，获得高分辨率和充分重复观测对数值气象预报具有重要的影响。

通过激光散射信号多普勒频移的测量，测量垂直分辨率优于1Km，风速测量精度达1m／s。

1976年，用于研究地球科学的星载激光雷达得到重视，NASA和NOAA委托美国无线电公司和帕新－爱尔莫公司开发测量全球对流层风场的CO2相干激光雷达。

1988年NASA研制激光大气风探测器(LAWS)，LAWS是基于CO2的激光器，分辨率1Km左右，利用不同高度上背向散射测量底层水平风场。

ESA在上世纪80年代也展开了类似的研究。

为了探测全球大气风场分布，欧空局将在2007年发射ADM －AEOLUS（Atmospheric Dynamic Mission- Atmospheric Explorer for Observation with Lidar in Ultraviolet from Space）。

其核心部件是一台355nm的紫外非连续多普勒激光雷达，对地观测角度偏离天底点35度
图5 ADM－AEOLUS的假象图
(2)气溶胶和云的测量激光雷达在大气气溶胶遥感测量和云遥感测量方面具有独特的优势。

由于其观测是基于大气和气溶胶中微小粒子的散射和吸收特性，所以它能够获得更大量、更精细的气溶胶和云层信息对开展云层结构和形成，气溶胶变化过程是非常重要的。

基于机载和陆基大气雷达的经验，1994年，NASA在航天飞机上利用LITE（Lidar in Space Technology Experiment）做了有关激光雷达对于云层和气溶胶的探测实验，实验进行了两周，获得了巨大的成功，实验得到了前所未有的关于大气的垂直结构。

之后NASA又计划在GLAS 和PICASSO-CENA激光雷达中再次进行类似实验。

(3)水汽和臭氧测量利用大气中不同气体对于两个波长激光吸收率的不同，可以探测气体在空间的分布。

目前激光雷达实验逐渐转向以测旦臭氧和水气的差分吸收激光雷达为主。

因为臭氧是大气的主要元素，影响有关大气的重要的化学和辐射过程。

水气是大气最主要的成份，对气候、大气传输、气象和大气化学有重要影响。

利用差分吸收的激光雷达可以进行对流层水汽和气溶胶分布的遥感测量。

研究水汽在云层和大气中的垂直分布。

分析降雨模型，进行中长期天气变化研究。

上世纪90年代末期，NASA开始在机载DIAL（Differential Absorption Lidar）的基础上，联合加拿大空间署研发了ORACLE DIAL(Ozone Research with Advanced Cooperative Lidar Experiments), 整个系统采用紫外波段（305-320nm）测量臭氧层的外形和体积。

通过可见光（520nm-600nm）和近红外（960-1060nm）的回波信号测量气溶胶和云层的体积。

下表所示为ORACLE DIAL的大致参数。

系统的轨道高度为400kM
表1: ORACLE DIAL 的参数表
为了探测高空水气的垂直分布，ESA将于2010年发射WALES（Water Vapor Lidar Experiment in Space），核心仪器是采用4个波段的出射激光的DIAL（Differential Absorption Lidar）这在目前的相关仪器中，波段数目最多。

其得到的数据的相对错误率<20%,方差<5%,垂直分辨率为1.0－1.5Km，可以探测星载平台到16Km以上大气中的水气分布。

对于同温层到平流层水气分布的研究将有助于人们对于气象的深入研究。

图6 WALS的模拟图
在研制实际系统的同时，国外对某些尚处于原理性的应用做了尝试性的研究，例如德国的Rainer和Oliver在机载激光荧光对海观测的基础上，对于星载水文测量激光雷达（Hydrographic Lidar）进行了一些研究，此类激光雷达主要采用多个高速光电倍增管作为接收探测器，其典型的上升时间为0.1ns，光电倍增率为104。

利用激光荧光检测叶绿素分布等水体信息。

该类系统目前最大的工艺瓶颈在于大功率星载激光器的研制，为了达到一定的覆盖率，激光器的重复频率需要在10Hz的量级，脉冲宽度在10ns级别，此类系统需要的出射能量在8J（300Km），如果是900Km轨道，能量需要在70J以上，而目前星载激光高度计中最大能量的GLAS系统中的激光器能量不超过1J。

图7 星载水文激光雷达示意图
3．植被探测：
研究人员利用激光遇到植被的后向散射的激光回波，对植被信息进行提取，Nilsson发现利用机载数据获得的平均树高比实际树高底2.1-3.7m，这可能是由于树冠形状本身造成的。

Hugh和Wehr证明利用激光数据，根据所提供的辐射度和几何信息的特征，可以区分植被类型，然而，信息提取的方法仍然还在发展之中，并且垂直结构的信息能够精细到什么程度还不清楚。

美国NASA还开发研制了机载激光植被成像传感器(1aser vegetation imag—inx sensor，LVIS)系统，该系统可用于森林资源调查和管理，包括推算植被参数和森林垂直结构，如树高、树冠直径、树木密度、植被生长情况、木材量、树种等。

机载激光植被成像传感器实际上是NASA地球遥感卫星VCL(vegetationcmopylidar)计划的预研项目。

为此NASA 在已经发射的GLAS卫星中就采用MOLA设计剩余的备样，采用激光雷达对于地球的植被进行有关研究。

4．军事
主动式激光雷达用于军事成像侦察具有显著的优越性，它不仅可以获得要害目标及其周围地区的清晰图像，而且还可以获得运动车辆的速度方向。

某些波段的激光雷达还能够侦察隐蔽目标，如侦察水下潜艇等。

但星载激光雷达在军事侦察方面应用未见详细报道，国内外对于其应用的主要研究为激光雷达在军事气象方面的作用。

在军事气象应用方面，激光雷达的主要作用在于：
1)为精确制导武器提供目标上空云层、风速和降雨的情况；
2)为巡航导弹提供攻击时的气象条件，以实现未段的图像匹配制导；
3)为海军舰艇的航行提供海浪、水速、雾和风的情况；
4)跟踪和监测化学武器的污染及云团情况，保卫己方有生力量。

在现代高技术战争中获得战区内的气象条件格外重要，激光雷达可获取大气三维信息，不仅进行气象预报，还直接服务于战术、战略武器的使用，战区生化武器监测等。

激光雷达在这个领域的军事应用价值是不言而喻的。

激光武器：
利用激光瞬间发出的巨大能量，发挥其在军事中的优势，已经是各国研究的热点之一，基于高能量星载激光制造的瓶颈，目前类似实验只能是基于实验室的模拟和方案论证阶段。

1997年，美国在白沙导弹靶场进行了强激光打卫星靶的实验，实验靶星是一颗即将退役的“微型探测器技术集成-3”卫星，实验结果表明，对其光学成效的效果起到了损坏的作用，基于星载的激光武器目前还没有见诸报道。

但必然是各国竞相投入巨资研究的一项“杀手锏”技术。

利用星载激光进行制导的武器在可预见的未来也将成为可能。

此外基于陆基激光对光学成像卫星进行主动干扰，也是目前一个热门的研究方向。

5．其他应用
●飞行器交会
最早的星载激光雷达是由美国国际电话和电报公司研制的，主要是开发航天飞行器交会对接用的激光雷达。

第一代于1967年研制成功，证明了星载激光雷达的可行性，第二代样机于1971年研制成功，随后1978年NASA／MFSC研制了用于同一目的CO2相干激光雷达,1980年欧共体委托德国MBB公司研制了用于交会对接的CO2相干激光雷达,目前用于航天器对接的激光雷达的研究正在中科院上海光机所进行研制。

●目标检测搜索
除了广泛的运用于对地观测以外，激光遥感还用于目标搜寻和目标检测，典型的系统是RELA VIS,该系统可以对空间目标进行。

对于不同距离目标（5Km-0.5m）进行精度为1cm的测距。

目前我国也在对类似多传感器目标搜寻系统进行研究，采用红外、可见光和激光探测等组合方式，对空间物体进行探测，我所的张涛研究员承担了红外部分探测系统的研制。

图8 RELA VIS 的搜索示意图
表2 RELA VIS的三种搜索方式
该系统除了可以测距以外，同时可以对目标物体进行成像，因此可以用于空间载体（空间站或者航天飞机的）的外部检测，在发生哥伦比亚号航天飞机事故以后，对于飞行器本身结构和材料的检测成为一个摆在科研人员面前的实际问题，激光测距成像技术在得到3D信息的同时得到灰度信息。

是解决改问题的有利竞争方案之一，下图为航天飞机的激光灰度图像。

图9 航天飞机的激光灰度图
地外行星探测
激光遥感系统不仅在空间系统中发挥重要作用，同时在地面载荷中也发挥日益重要的作用，典型的系统是预计将于2008年6月登陆火星的Phoenix系统，该任务的目标是在月球表面寻找适合居住的地面定居点的同时寻找水的痕迹。

其中的激光雷达载荷主要是为了探测火星的大气环境和沙尘暴现象进行研究。

基本上实现车载激光大气雷达的功能。

图10 Phoenix系统的示意图和工作假象图
此外激光的近距离三维遥感技术和光谱研究在航天中也有一定的用途，目前正在预研的用于以后月球车的近距离3D成像和光谱仪器就是该种应用。

●激光空间制冷
激光除了在测距成像上有着得天独厚的优势以外，还可以在作为荧光制冷源用于红外探测器的制冷。

采用这种制冷方式，由于本身没有震动装置，不会产生震动，系统的可靠性比较好，此类系统结构紧凑，质量轻，无电磁辐射，预计寿命可以达到10年以上，过内外正在对此进行相关研究。

但是目前制冷量和制冷效率离工程化应用还有差距。

●此外利用激光作为光学通讯链路，也已经作为一种实用的技术用于SPOT-4卫星上，该卫星以50Mbit/s的速率和距离30000km以上，相对运动速度7.7Km的Astemis卫星进行通讯，总共进行了4次实验，其中两次通讯时间在20分钟以上。

由于通过卫星中继，SPOT 卫星花在传输上的时间大大降低，从而有更多的时间用于对地观测。

目前的实验星载激光对潜艇的通讯等都成为空间激光应用的热点。

总结
激光的出现，是人类现代科学史上一件具有重要意义的事件，它为各项工程技术都带来了各种前所未有的方法和手段。

在航天领域也是如此，从最初的激光高度计，对接雷达，到后来的大气雷达，以及未来的激光武器，为激光遥感在空间运用展示了广阔的应用前景。

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