在美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心(NASA’s Goddard Space Flight Center)，研究人員正在致力于研究未來太空飛行和遙感儀器使用的激光發(fā)射器，包括用于冰蓋和海洋浮冰監(jiān)測的微脈沖激光高度計、用于大氣二氧化碳檢測的激光光譜學(xué)儀器和用于地球表面高分辨率成像用的激光成像雷達(dá)。此外，這些飛行載荷還可以用于太陽系統(tǒng)其它星體的大氣層檢測和星體表面成像。本文首先綜述了美國宇航局過去用于火星、水星、地球和月球軌道的空間飛行激光載荷的發(fā)射器，然后概括了目前的空間飛行激光載荷項目，并且介紹了它們遠(yuǎn)程傳感的科學(xué)和探索應(yīng)用的預(yù)期效果。
1 引 言
目前正在軌應(yīng)用的激光載荷有三個，它們的任務(wù)是用來收集地球、月球和水星的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)，以便我們能夠更加深入的了解我們的地球和太陽系。所有的這些雷達(dá)系統(tǒng)全部采用了半導(dǎo)體激光器陣列泵浦的高功率準(zhǔn)連續(xù)固體激光器作為光源。第一個星載半導(dǎo)體激光器陣列泵浦的固體激光器是火星衛(wèi)星激光高度計，它于1996年發(fā)射，它提供了大量高分辨率的火星表面的形貌數(shù)據(jù)。隨后的2003年又發(fā)射了用于地球科學(xué)研究的激光高度計。目前正在軌應(yīng)用的激光載荷分別為：2006年發(fā)射的云-氣溶膠正交偏振激光雷達(dá)，水星激光高度計和2008年發(fā)射的月球衛(wèi)星激光高度計。盡管目前的半導(dǎo)體泵浦固體激光器在太空取得了很大的成功，但是仍然不能滿足未來激光雷達(dá)的要求。因此，需要為未來遠(yuǎn)程傳感應(yīng)用研制新型的航天激光器。
2 目前在軌的航天激光器綜述
自上世紀(jì)90年代晚期，美國宇航局就已經(jīng)在所有的航天用激光雷達(dá)系統(tǒng)中采用半導(dǎo)體泵浦的準(zhǔn)連續(xù)固體激光器作為光源?；鹦切l(wèi)星激光高度計于1996年發(fā)射，它采用了半導(dǎo)體激光器泵浦的zig-zag Nd：YAG板條，交叉波羅腔，主動Q開關(guān)激光器，波長為1064nm，脈沖能量40mJ，脈沖寬度10ns，重復(fù)率為10Hz?；鹦切l(wèi)星激光高度計的主要科學(xué)目的是獲得全火星地表的形貌數(shù)據(jù)，形貌數(shù)據(jù)的精度可以滿足地質(zhì)學(xué)與地球物理學(xué)研究的需要。自1996年11月發(fā)射到2001年6月任務(wù)結(jié)束，火星激光高度計共發(fā)射了670 000 000個激光脈沖，獲取了640 000 000個火星表面和大氣的測量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)量是過去所有以前的航天激光雷達(dá)獲取數(shù)據(jù)總和的十倍以上，火星激光高度計的性能和壽命都優(yōu)于預(yù)期。航天飛機激光高度計(Shuttle Laser Altimeter，SLA) I & II是火星激光高度計的拷貝，分別于1996年和1997年發(fā)射，用于獲得地球表面的形貌數(shù)據(jù)，共累計發(fā)射了6 000 000個激光脈沖。
地球科學(xué)激光測高系統(tǒng)(Geoscience Laser Altimeter System-GLAS)的激光器第一次采用了被動調(diào)Q，主振－功率放大的設(shè)計。該激光測高系統(tǒng)于2003年發(fā)射，2011年初完成既定任務(wù)，在任務(wù)期間，三個發(fā)射端共發(fā)射了近2 000 000 000個激光脈沖，該系統(tǒng)中的激光器是下一代空間遠(yuǎn)程傳感用激光器的代表。地球科學(xué)激光測高系統(tǒng)的激光器的性能比火星激光高度計的激光器在功率、光束質(zhì)量、脈沖寬度、重復(fù)頻率方面均高一個量級，具體為：激光脈沖總能量為110mJ，其中1.06μm波長脈沖能量為75mJ，0.532μm波長脈沖能量為35mJ，光束質(zhì)量為110μrad， 脈沖寬度<6ns，重復(fù)頻率40Hz。
水星表面、空間環(huán)境、地球化學(xué)和測距任務(wù)(MESSENGER)中的激光高度計需要能夠在距離高度變化和溫度經(jīng)常變化的環(huán)境中工作。該衛(wèi)星與2011年3月份到達(dá)預(yù)定軌道并開始收集數(shù)據(jù)，軌道的近地點為200km，遠(yuǎn)地點為15，200km，周期12小時。激光高度計在離水星表面最近的0.5小時內(nèi)工作，要求測量距離分辨率小于40厘米，預(yù)期在整個任務(wù)期間總輻射劑量為30krad，采用0.1cm等效厚度的鋁板進(jìn)行屏蔽。該激光高度計中激光器的脈沖能量大于18mJ，脈沖寬度6ns，重復(fù)頻率8Hz，光束質(zhì)量近衍射極限。激光器的溫度變化范圍為15～25攝氏度，變化率為0.4攝氏度/分鐘。
第一個在軌運行的激光雷達(dá)是安裝在阿波羅15、16、17上面的激光高度計，用于進(jìn)行月球表面形貌的測量。其激光器為紅寶石激光器，采用了氙燈泵浦，機械Q開關(guān)，為美國無線電公司制造。40多年后，美國啟動了重返月球計劃，該計劃中的月球表面激光高度計(LOLA)是第一個空間多光束激光高度系統(tǒng)。該高度計在發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的出瞳處有一個衍射光學(xué)元件(DOE)，經(jīng)過該元件后產(chǎn)生五個光束照亮月球表面，每個光束均可以測量飛行時間(距離)、脈沖展寬(表面形貌)和發(fā)射/接收能量(表面反射率)，該高度計有兩個激光振蕩源，其中一個作為冷備份。
美國宇航局的CALIPSO計劃中的云-氣溶膠正交偏振激光雷達(dá)于2006年發(fā)射，它的激光器采用半導(dǎo)體激光器泵浦Nd：YAG產(chǎn)生1064nm和532nm兩個波長的輸出，重復(fù)頻率為20Hz，采用主動Q開關(guān)得到20ns的脈沖寬度，每個激光器在1064nm均產(chǎn)生220mJ的脈沖能量，倍頻后產(chǎn)生110MJ的脈沖能量。
3 未來地球科學(xué)激光雷達(dá)任務(wù)
3.1 冰蓋、云和陸地海拔監(jiān)測衛(wèi)星-2任務(wù) (ICESat-2)
ICESat-2 是ICESat的后續(xù)任務(wù)。ICESat于2003年1月發(fā)射，于2010年2月結(jié)束工作。ICESat-2將提供高質(zhì)量的地形測量數(shù)據(jù)，估計冰蓋體積的變化，從而判斷冰蓋融化對海平面上升的影響。
ICESat-2 上的載荷名稱為高級地形測量激光高度系統(tǒng)(Advanced Topographic Laser Altimeter System，ATLAS)。原始的ATLAS設(shè)計是一個蛋光束激光高度系統(tǒng)，沿用了GLAS的概念，采用低重頻(50Hz)，高能量(脈沖能量50mJ)和短脈寬(約6ns)。 在2009年中期，ATLAS進(jìn)行了重新設(shè)計?，F(xiàn)在的設(shè)計采用了非掃描6光束系統(tǒng)，光束排布方式為3×2，采用微脈沖光子計數(shù)方式，如圖1所示。
圖1 (a) 美國宇航局第二代地球軌道多光束激光高度計ICESat-2示意圖；(b) 光束對原理圖
激光器采用高重復(fù)頻率(10kHz)、中等能量(單脈沖能量約900μJ)、短脈沖寬度(<1.5ns)。探測器選用Hamamatsu公司型號為7600-16M的光電倍增管。 激光波長采用1064nm倍頻的532nm，原因是目前缺少適合空間使用的長壽命近紅外單光子探測器。
圖2 (上左) 空間測量的概念；(上右) 采用HITRAN 2004計算的兩路1570nm波長附近CO2透過率結(jié)果；(下左) 現(xiàn)在選擇的1572.33 nm CO2吸收線和波長采樣策略；
(下右) 計算的權(quán)重函數(shù)
3.2 夜間、白天和季節(jié)二氧化碳排放主動監(jiān)測計劃 (ASCENDS)
ASCENDS計劃將是第一個空間激光光譜儀器，可以為氣候和水循環(huán)監(jiān)測氣溶膠和云的變化，為開放海域生物地球化學(xué)監(jiān)測海色的變化。ASCENDS采用激光吸收光譜方法使測量全球大氣二氧化碳空間分布的精度達(dá)到1～2ppm，測量全球的陸地和海洋的二氧化碳源和匯的空間分辨率為1度，數(shù)據(jù)更新率為每月一次，可以提供對無云海洋的連續(xù)測量，在低太陽角和夜晚也能工作。
作為ASCENDS計劃的候選方案之一，GSFC( Goddard Space Fl ight Center) 采用了脈沖激光雷達(dá)的方案，如圖3所示。該方案采用參鉺光纖放大器放大1.57μm附近波長的泛音譜帶，用于大氣二氧化碳的測量，初始的水平路徑測量精度<1%。采用了雙帶脈沖激光吸收光譜儀和積分路徑差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)。
圖3 空間激光雷達(dá)性能和500km軌道高度雷達(dá)模裝圖
3.3 激光雷達(dá)表面形貌測量任務(wù) (LIST)
LIST計劃要求完成全球覆蓋的測量，壽命3年，400km軌道高度，5km成像條幅寬度，其基本原理框圖如圖4所示。
圖4 LIST激光系統(tǒng)的基本原理框圖
該激光系統(tǒng)共有四個獨立通道，每個通道的性能參數(shù)如表1所示。
表1 每個通道的性能參數(shù)
3.4 地球重力場測量和氣候?qū)嶒炄蝿?wù)(GRACE-FO和GRACE-2)
GRACE-2系統(tǒng)預(yù)計2025年發(fā)射，該系統(tǒng)采用了激光測距系統(tǒng)獲得更高的精度。GRACE-FO系統(tǒng)預(yù)計2016年發(fā)射，用來驗證GRACE-2系統(tǒng)中使用的激光測距系統(tǒng)的可行性。GRACE-FO中的單頻激光器的性能指標(biāo)如表2所示。
表2 GRACE-FO中的單頻激光器的性能指標(biāo)
4 結(jié) 論
在未來20年內(nèi)，將陸續(xù)有越來越多的空間激光載荷應(yīng)用，包括地圖、光譜、遠(yuǎn)程傳感和其它科學(xué)實驗研究的應(yīng)用。對激光器的要求有更高的電光效率(>15%)，更低的噪聲和更窄的線寬，長壽命，高可靠度。普遍的要求為：窄光譜寬度，更高的波長穩(wěn)定度或調(diào)諧范圍。
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