激光遥感在航天中的运用.docVIP

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(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。 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