本文作者：張揚(yáng) 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(chǎng)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(shí)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(shí)期到公元1000年左右，人們對(duì)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，開啟了現(xiàn)代光學(xué)的序幕。經(jīng)過漫長(zhǎng)的中世紀(jì)，西方的物理學(xué)家們相繼提出光的波動(dòng)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(shí)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(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》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(jiǎng)，為激光的發(fā)明奠定了理論基礎(chǔ)。
▲ 人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)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(shí)沒有質(zhì)量。根據(jù)量子力學(xué)的原理，一個(gè)原子體系中，電子基本上是分層運(yùn)動(dòng)的。當(dāng)光子射入時(shí)，原子核會(huì)吸入光子，而電子則因?yàn)楂@得了能量，從勢(shì)能較低的內(nèi)層遷移到勢(shì)能較高的外層（受激吸收過程）。當(dāng)電子從勢(shì)能較高的外層跌入勢(shì)能較低的內(nèi)層時(shí)，相應(yīng)的原子核會(huì)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(guó)加利福尼亞州休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼利用高強(qiáng)閃光燈管，使紅寶石中的鉻原子受到激發(fā)，發(fā)出波長(zhǎng)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(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器。1964年，錢學(xué)森先生為它定了這個(gè)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(guó)第三屆光量子放大器學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上受到了參會(huì)專家的一致贊同。從此，中國(guó)對(duì)laser有了統(tǒng)一的漢語名稱。
▲ 我國(guó)與世界第一臺(tái)紅寶石激光器及原理圖示
激光的特點(diǎn)在于它所有的光子都以同樣的波長(zhǎng)、同樣的相位一起運(yùn)動(dòng)。與自然光相比，主要有三大特點(diǎn)：
定向性強(qiáng)：絕大多數(shù)的激光光束發(fā)射后不會(huì)向四周發(fā)散,而是筆直向前。相對(duì)而言，自然光則會(huì)向四面八方擴(kuò)散。
單色性強(qiáng)：激光是純粹的某一種顏色(由波長(zhǎng)或頻率決定)的光。與此相對(duì)，自然光是多種顏色混合的光。
干涉性強(qiáng)：由于激光的光相位(波峰和波谷)在時(shí)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(jiǎn)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(duì)激光經(jīng)過傳輸介質(zhì)產(chǎn)生的延時(shí)、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(hào)進(jìn)行遙測(cè)，具備時(shí)間分辨和高度分辨測(cè)量能力，并從這些信號(hào)中反演出介質(zhì)的物理和光學(xué)特性信息的測(cè)量技術(shù)。下圖為激光雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)成及探測(cè)原理示意圖，雷達(dá)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(chǔ)三部分構(gòu)成。對(duì)于每一次探測(cè)，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(dá)地表（包括海洋），在這個(gè)傳輸過程中，光子會(huì)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(jìn)行光學(xué)處理，最后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成信號(hào)收集和存儲(chǔ)。光子是以光速傳播的，整個(gè)探測(cè)過程在5毫秒內(nèi)完成（對(duì)于軌道高度約700公里的衛(wèi)星），激光雷達(dá)通過高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（采樣頻率大于兆赫茲）實(shí)現(xiàn)高距離分辨率的采樣探測(cè)。
▲ 激光雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)成及探測(cè)原理
激光遙感技術(shù)是一種重要的遙感手段，對(duì)地觀測(cè)是其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，利用激光雷達(dá)技術(shù)獲取地球表面、大氣、海洋成分、大氣動(dòng)力學(xué)等參數(shù)。按照激光與物質(zhì)作用機(jī)理的不同，激光遙感技術(shù)主要有散射機(jī)制的激光高度計(jì)、后向散射激光雷達(dá)、差分吸收激光雷達(dá)、多普勒激光雷達(dá)，以及拉曼、熒光激光雷達(dá)等遙感技術(shù)體制。
01、激光高度計(jì)
激光高度計(jì)是利用航空或者低軌道飛行器平臺(tái)，通過記錄發(fā)射和接收光脈沖的時(shí)間差乘以光速來獲取平臺(tái)與地面的距離，再經(jīng)過對(duì)平臺(tái)的飛行姿態(tài)、指向和幾何定標(biāo)獲得絕對(duì)高程的信息。如果采用多激光束探測(cè)或配合掃描機(jī)構(gòu)，可以大幅提高水平分辨率，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被探測(cè)目標(biāo)的三維成像。將激光高度計(jì)與相機(jī)配合使用，可以實(shí)現(xiàn)三維立體彩色和多光譜成像。
▲ 星載激光測(cè)高
02、后向散射激光雷達(dá)技術(shù)
后向散射激光雷達(dá)主要用于測(cè)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(dá)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(hào)的激光雷達(dá)，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(cè)激光雷達(dá)。高光譜探測(cè)激光雷達(dá)可以分離氣溶膠和分子信號(hào)，從而實(shí)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(dá)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(hào)作為參考，如氮?dú)饫⑸湫盘?hào)可提供分子散射信號(hào)的參考，也可區(qū)分分子和氣溶膠散射。
▲ 海洋探測(cè)激光雷達(dá)
03、多普勒激光遙感技術(shù)
多普勒激光雷達(dá)通過發(fā)射激光脈沖和測(cè)量返回信號(hào)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(dòng)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(cè)和直接探測(cè)激光雷達(dá)技術(shù)。相干探測(cè)多普勒激光雷達(dá)，利用本振激光與后向散射光進(jìn)行混頻探測(cè)，得到多普勒頻移信息。相干激光多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)利用從氣溶膠和云的散射信號(hào)進(jìn)行風(fēng)速探測(cè)，在行星邊界層0~3km高度內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)高精度風(fēng)場(chǎng)探測(cè)。
直接探測(cè)多普勒激光雷達(dá)，可以直接利用氣溶膠、微粒和分子的散射信號(hào)，探測(cè)3~25km高的對(duì)流層上層大氣風(fēng)場(chǎng)。多普勒激光遙感技術(shù)還可以應(yīng)用于目標(biāo)振動(dòng)譜探測(cè)，主要采用相干探測(cè)技術(shù)獲取目標(biāo)振動(dòng)譜信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)振動(dòng)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用。
▲ 風(fēng)場(chǎng)探測(cè)激光雷達(dá)
04、差分吸收激光雷達(dá)
差分吸收激光雷達(dá)主要用于探測(cè)大氣中的氣體成分濃度。激光雷達(dá)需要發(fā)射被測(cè)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(cè)量不同回波激光信號(hào)的光強(qiáng)差，來測(cè)量氣體吸收特征譜線的真實(shí)吸收信號(hào)，從而獲取被測(cè)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(cè)，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(duì)差分吸收激光雷達(dá)來說，需要選取合適的吸收譜線，同時(shí)要考慮激光器的可實(shí)現(xiàn)程度。
▲ 差分吸收激光雷達(dá)探測(cè)原理
衛(wèi)星激光遙感的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)
目前地球科學(xué)迫切需要定量遙感的三個(gè)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(dòng)力學(xué)，主要是大氣風(fēng)場(chǎng)。激光遙感可以實(shí)現(xiàn)全球高垂直分辨率、高精度測(cè)量。激光遙感相對(duì)其他傳感器，在對(duì)地觀測(cè)方面所具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)有以下幾個(gè)方面：
▲ 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星大氣探測(cè)激光雷達(dá)獲取全球全天時(shí)CO2柱濃度與云、氣溶膠分類遙感產(chǎn)品
1）對(duì)于提高全球天氣預(yù)報(bào)精度，急需突破全球?qū)α鲗语L(fēng)場(chǎng)剖面的高精度測(cè)量。多普勒激光雷達(dá)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(chǎng)測(cè)量的唯一方法。
2）差分吸收激光雷達(dá)是獲得高精度對(duì)流層二氧化碳分布（0.3%的混合比）的唯一途徑，尤其對(duì)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(dá)是高分辨率測(cè)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(duì)于對(duì)流層中的化學(xué)物質(zhì)、輻射、對(duì)流、動(dòng)力和傳輸過程的建模和評(píng)估十分關(guān)鍵。
4）差分吸收激光雷達(dá)也是高精度測(cè)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(jìn)一步研究對(duì)流過程和強(qiáng)風(fēng)暴發(fā)展所必需的。
5）后向散射激光雷達(dá)是高精度（30m）測(cè)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?cè)跉夂蚪：脱芯恐惺潜匦璧摹?/p>
6）激光雷達(dá)是測(cè)量海洋混合層中微粒分布的唯一方法，這對(duì)于理解海洋碳儲(chǔ)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(jì)是測(cè)量變化小于1cm/年水平的表面分布的唯一技術(shù)，對(duì)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(cè)控技術(shù)領(lǐng)域，利用激光遙感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器軟著陸過程的精密測(cè)距、測(cè)速，空間飛行器之間的交會(huì)對(duì)接等，以及實(shí)現(xiàn)目標(biāo)偵查、精確制導(dǎo)、精密測(cè)軌等應(yīng)用，還可廣泛應(yīng)用到無人駕駛的自動(dòng)避障、機(jī)器人自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，主要發(fā)揮激光遙感精密測(cè)距、測(cè)速、測(cè)角等綜合能力。
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