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本文作者：張揚  詹一帆

大氣中的溫室氣體如何被精確“跟蹤”，空氣中懸浮的細(xì)小顆粒物如何被“層析”，氣象部門需要的云圖風(fēng)場如何被“抓拍”，海洋次表層下的世界是怎樣的“絢麗多彩”，地球表面高低起伏的山川盆地又如何被高精度“繪制”，這一切都可以利用激光遙感手段來實現(xiàn)。那么什么是激光？激光遙感又為何如此全能？下面就讓我們來一探究竟！

激光：從經(jīng)典幾何光學(xué)向光量子的跨越

從古希臘時期到公元1000年左右，人們對于光的認(rèn)知還處于定性的階段。1021年，伊本·海塞姆出版的《光學(xué)之書》，提出光學(xué)理論并使用實驗進行驗證，開啟了現(xiàn)代光學(xué)的序幕。經(jīng)過漫長的中世紀(jì)，西方的物理學(xué)家們相繼提出光的波動學(xué)說和微粒學(xué)說來解釋光的各種物理現(xiàn)象。直到被稱為“物理奇跡年”的1905年，天才物理學(xué)家愛因斯坦先后發(fā)表了五篇具有劃時代意義的論文，其中一篇《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)變的一個啟發(fā)性觀點》首次提出了光子的概念，發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，并獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，為激光的發(fā)明奠定了理論基礎(chǔ)。

▲ 人類對光的認(rèn)識到激光的誕生

在了解激光遙感之前，我們先來看看什么是激光？ 

激光（英文名：laser）是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的縮寫，意為光的受激輻射放大。光是由光子產(chǎn)生的，光子是組成物質(zhì)的基本粒子之一，光子非常小，靜止時沒有質(zhì)量。根據(jù)量子力學(xué)的原理，一個原子體系中，電子基本上是分層運動的。當(dāng)光子射入時，原子核會吸入光子，而電子則因為獲得了能量，從勢能較低的內(nèi)層遷移到勢能較高的外層（受激吸收過程）。當(dāng)電子從勢能較高的外層跌入勢能較低的內(nèi)層時，相應(yīng)的原子核會釋放出光子，從而產(chǎn)生光。跌落的層數(shù)越多，光子的能量越大（受激發(fā)射過程）。

▲ 光子的吸收和發(fā)射圖示

科學(xué)家們歷經(jīng)40多年的不懈探索，來自美國加利福尼亞州休斯實驗室的梅曼利用高強閃光燈管，使紅寶石中的鉻原子受到激發(fā)，發(fā)出波長為694.3nm的紅光，成為人類有史以來獲得的第一束激光。僅僅1年之后，在王之江院士的領(lǐng)導(dǎo)下，研制出我國第一臺紅寶石激光器。1964年，錢學(xué)森先生為它定了這個名字：“激光”，這一名稱既描述和傳統(tǒng)光的不同，又體現(xiàn)了受激發(fā)生、激發(fā)態(tài)等意義，在同年全國第三屆光量子放大器學(xué)術(shù)報告會上受到了參會專家的一致贊同。從此，中國對laser有了統(tǒng)一的漢語名稱。

▲ 我國與世界第一臺紅寶石激光器及原理圖示

激光的特點在于它所有的光子都以同樣的波長、同樣的相位一起運動。與自然光相比，主要有三大特點：

定向性強：絕大多數(shù)的激光光束發(fā)射后不會向四周發(fā)散,而是筆直向前。相對而言，自然光則會向四面八方擴散。

單色性強：激光是純粹的某一種顏色(由波長或頻率決定)的光。與此相對，自然光是多種顏色混合的光。

干涉性強：由于激光的光相位(波峰和波谷)在時間上一致，因此干涉性好(可干涉性)，通過合成該波可以獲得大振幅(輸出大)的波。

簡單來說，激光就是通過受激輻射產(chǎn)生的，在特定“泵浦源”的作用下，激光工作物質(zhì)（激光材料）被“激發(fā)”出來的“光輻射”。

激光遙感技術(shù)

激光遙感技術(shù)是指用激光作為發(fā)射源，對激光經(jīng)過傳輸介質(zhì)產(chǎn)生的延時、頻移，以及激光導(dǎo)致介質(zhì)引起的吸收、散射（包含彈性散射，以及拉曼散射或布里淵散射等非彈性散射）、熒光等信號進行遙測，具備時間分辨和高度分辨測量能力，并從這些信號中反演出介質(zhì)的物理和光學(xué)特性信息的測量技術(shù)。下圖為激光雷達系統(tǒng)構(gòu)成及探測原理示意圖，雷達系統(tǒng)主要由激光發(fā)射、望遠(yuǎn)鏡接收和數(shù)據(jù)采集存儲三部分構(gòu)成。對于每一次探測，首先由發(fā)射部分發(fā)射窄線寬、高準(zhǔn)直和高功率的激光，光子經(jīng)過大氣，到達地表（包括海洋），在這個傳輸過程中，光子會與大氣成分發(fā)生相互作用，被大氣成分吸收和散射（在地表為反射作用），散射（反射）光子由接收望遠(yuǎn)鏡接收并進行光學(xué)處理，最后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成信號收集和存儲。光子是以光速傳播的，整個探測過程在5毫秒內(nèi)完成（對于軌道高度約700公里的衛(wèi)星），激光雷達通過高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（采樣頻率大于兆赫茲）實現(xiàn)高距離分辨率的采樣探測。

▲ 激光雷達系統(tǒng)構(gòu)成及探測原理

激光遙感技術(shù)是一種重要的遙感手段，對地觀測是其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，利用激光雷達技術(shù)獲取地球表面、大氣、海洋成分、大氣動力學(xué)等參數(shù)。按照激光與物質(zhì)作用機理的不同，激光遙感技術(shù)主要有散射機制的激光高度計、后向散射激光雷達、差分吸收激光雷達、多普勒激光雷達，以及拉曼、熒光激光雷達等遙感技術(shù)體制。

01、激光高度計

激光高度計是利用航空或者低軌道飛行器平臺，通過記錄發(fā)射和接收光脈沖的時間差乘以光速來獲取平臺與地面的距離，再經(jīng)過對平臺的飛行姿態(tài)、指向和幾何定標(biāo)獲得絕對高程的信息。如果采用多激光束探測或配合掃描機構(gòu)，可以大幅提高水平分辨率，也可以實現(xiàn)對被探測目標(biāo)的三維成像。將激光高度計與相機配合使用，可以實現(xiàn)三維立體彩色和多光譜成像。

▲ 星載激光測高

02、后向散射激光雷達技術(shù)

后向散射激光雷達主要用于測量大氣氣溶膠、云光學(xué)特性，以及海洋和生態(tài)系統(tǒng)的參數(shù)。后向散射激光雷達體制，包括基于米散射（微粒、云與氣溶膠散射）和瑞利散射（分子散射）信號的激光雷達，也包括利用光譜技術(shù)可以分離米散射和瑞利散射的高光譜探測激光雷達。高光譜探測激光雷達可以分離氣溶膠和分子信號，從而實現(xiàn)氣溶膠光學(xué)特性的定量遙感。同樣的概念可以應(yīng)用于海水，利用海洋激光雷達高光譜技術(shù)，可獲得海水的衰減與后向散射系數(shù)，從而獲得海水的固有光學(xué)參數(shù)剖面信息。另外，也有利用部分大氣分子的拉曼散射信號作為參考，如氮氣拉曼散射信號可提供分子散射信號的參考，也可區(qū)分分子和氣溶膠散射。

▲ 海洋探測激光雷達

03、多普勒激光遙感技術(shù)

多普勒激光雷達通過發(fā)射激光脈沖和測量返回信號的多普勒頻移量確定大氣風(fēng)速、目標(biāo)速度和目標(biāo)振動頻譜等信息。目前主要有兩種多普勒激光遙感技術(shù)，即相干探測和直接探測激光雷達技術(shù)。相干探測多普勒激光雷達，利用本振激光與后向散射光進行混頻探測，得到多普勒頻移信息。相干激光多普勒測風(fēng)雷達利用從氣溶膠和云的散射信號進行風(fēng)速探測，在行星邊界層0~3km高度內(nèi)可以實現(xiàn)高精度風(fēng)場探測。

直接探測多普勒激光雷達，可以直接利用氣溶膠、微粒和分子的散射信號，探測3~25km高的對流層上層大氣風(fēng)場。多普勒激光遙感技術(shù)還可以應(yīng)用于目標(biāo)振動譜探測，主要采用相干探測技術(shù)獲取目標(biāo)振動譜信息，實現(xiàn)對目標(biāo)振動監(jiān)測等應(yīng)用。

▲ 風(fēng)場探測激光雷達

04、差分吸收激光雷達

差分吸收激光雷達主要用于探測大氣中的氣體成分濃度。激光雷達需要發(fā)射被測氣體相關(guān)的特征譜線，包括氣體吸收和臨近非吸收特征譜線激光束，通過測量不同回波激光信號的光強差，來測量氣體吸收特征譜線的真實吸收信號，從而獲取被測氣體的高精度濃度信息。

目前，天氣、氣候研究最關(guān)注大氣溫室氣體的探測，包括H₂O、CO₂、CH₄和O₂的濃度及其變化。由于不同氣體的吸收譜線差異較大，因此對差分吸收激光雷達來說，需要選取合適的吸收譜線，同時要考慮激光器的可實現(xiàn)程度。

▲ 差分吸收激光雷達探測原理

衛(wèi)星激光遙感的獨特優(yōu)勢

目前地球科學(xué)迫切需要定量遙感的三個方向：一是大氣成分（如二氧化碳、臭氧、甲烷、水汽等影響天氣和氣候的成分），以及影響輻射平衡的云和氣溶膠；二是地球表面參數(shù)，包括地球表面形貌、植被、海底深度；三是大氣動力學(xué)，主要是大氣風(fēng)場。激光遙感可以實現(xiàn)全球高垂直分辨率、高精度測量。激光遙感相對其他傳感器，在對地觀測方面所具備的獨特優(yōu)勢有以下幾個方面：

▲ 大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星大氣探測激光雷達獲取全球全天時CO₂柱濃度與云、氣溶膠分類遙感產(chǎn)品

1）對于提高全球天氣預(yù)報精度，急需突破全球?qū)α鲗语L(fēng)場剖面的高精度測量。多普勒激光雷達被認(rèn)為是能夠獲得滿足需求精度（1m/s，100km水平分辨率）的大氣風(fēng)場測量的唯一方法。

2）差分吸收激光雷達是獲得高精度對流層二氧化碳分布（0.3%的混合比）的唯一途徑，尤其對于了解全球碳循環(huán)、溫室效應(yīng)和地球生命的可持續(xù)性非常關(guān)鍵。

3）差分吸收激光雷達是高分辨率測量全球?qū)α鲗映粞跗拭妫?~2km垂直分辨率，100km水平分辨率）的唯一技術(shù)，對于對流層中的化學(xué)物質(zhì)、輻射、對流、動力和傳輸過程的建模和評估十分關(guān)鍵。

4）差分吸收激光雷達也是高精度測量邊界層全球水汽分布（0.5km垂直分辨率，100km水平分辨率）的唯一技術(shù)，是進一步研究對流過程和強風(fēng)暴發(fā)展所必需的。

5）后向散射激光雷達是高精度（30m）測量云層和氣溶膠光學(xué)特性（包括行星邊界層高度、云底、云頂、云極化、氣溶膠散射分布）的唯一方法，它們在氣候建模和研究中是必需的。

6）激光雷達是測量海洋混合層中微粒分布的唯一方法，這對于理解海洋碳儲量和流通是如何影響全球碳循環(huán)是必要的。

7）激光高度計是測量變化小于1cm/年水平的表面分布的唯一技術(shù)，對于研究地表植被覆蓋、地表地形、火山監(jiān)視、全球海平面、氣候變化引起的極地冰層變化十分關(guān)鍵。

在激光測控技術(shù)領(lǐng)域，利用激光遙感技術(shù)可以實現(xiàn)對飛行器軟著陸過程的精密測距、測速，空間飛行器之間的交會對接等，以及實現(xiàn)目標(biāo)偵查、精確制導(dǎo)、精密測軌等應(yīng)用，還可廣泛應(yīng)用到無人駕駛的自動避障、機器人自動目標(biāo)識別等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，主要發(fā)揮激光遙感精密測距、測速、測角等綜合能力。