在美國宇航局戈達德太空飛行中心(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射器，包括用于冰蓋和海洋浮冰監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儀器和用于地球表面高分辨率成像用的激光成像雷達。此外，這些飛行載荷還可以用于太陽系統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，并且介紹了它們遠程傳感的科學和探索應用的預期效果。
1 引 言
目前正在軌應用的激光載荷有三個，它們的任務是用來收集地球、月球和水星的科學實驗數據，以便我們能夠更加深入的了解我們的地球和太陽系。所有的這些雷達系統全部采用了半導體激光器陣列泵浦的高功率準連續固體激光器作為光源。第一個星載半導體激光器陣列泵浦的固體激光器是火星衛星激光高度計，它于1996年發射，它提供了大量高分辨率的火星表面的形貌數據。隨后的2003年又發射了用于地球科學研究的激光高度計。目前正在軌應用的激光載荷分別為：2006年發射的云-氣溶膠正交偏振激光雷達，水星激光高度計和2008年發射的月球衛星激光高度計。盡管目前的半導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的要求。因此，需要為未來遠程傳感應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90年代晚期，美國宇航局就已經在所有的航天用激光雷達系統中采用半導體泵浦的準連續固體激光器作為光源。火星衛星激光高度計于1996年發射，它采用了半導體激光器泵浦的zig-zag Nd：YAG板條，交叉波羅腔，主動Q開關激光器，波長為1064nm，脈沖能量40mJ，脈沖寬度10ns，重復率為10Hz。火星衛星激光高度計的主要科學目的是獲得全火星地表的形貌數據，形貌數據的精度可以滿足地質學與地球物理學研究的需要。自1996年11月發射到2001年6月任務結束，火星激光高度計共發射了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據。這些數據量是過去所有以前的航天激光雷達獲取數據總和的十倍以上，火星激光高度計的性能和壽命都優于預期。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年發射，用于獲得地球表面的形貌數據，共累計發射了6 000 000個激光脈沖。
地球科學激光測高系統(Geoscience Laser Altimeter System-GLAS)的激光器第一次采用了被動調Q，主振－功率放大的設計。該激光測高系統于2003年發射，2011年初完成既定任務，在任務期間，三個發射端共發射了近2 000 000 000個激光脈沖，該系統中的激光器是下一代空間遠程傳感用激光器的代表。地球科學激光測高系統的激光器的性能比火星激光高度計的激光器在功率、光束質量、脈沖寬度、重復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，光束質量為110μrad， 脈沖寬度<6ns，重復頻率40Hz。
水星表面、空間環境、地球化學和測距任務(MESSENGER)中的激光高度計需要能夠在距離高度變化和溫度經常變化的環境中工作。該衛星與2011年3月份到達預定軌道并開始收集數據，軌道的近地點為200km，遠地點為15，200km，周期12小時。激光高度計在離水星表面最近的0.5小時內工作，要求測量距離分辨率小于40厘米，預期在整個任務期間總輻射劑量為30krad，采用0.1cm等效厚度的鋁板進行屏蔽。該激光高度計中激光器的脈沖能量大于18mJ，脈沖寬度6ns，重復頻率8Hz，光束質量近衍射極限。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是安裝在阿波羅15、16、17上面的激光高度計，用于進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，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。該高度計在發射望遠鏡的出瞳處有一個衍射光學元件(DOE)，經過該元件后產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于2006年發射，它的激光器采用半導體激光器泵浦Nd：YAG產生1064nm和532nm兩個波長的輸出，重復頻率為20Hz，采用主動Q開關得到20ns的脈沖寬度，每個激光器在1064nm均產生220mJ的脈沖能量，倍頻后產生110MJ的脈沖能量。
3 未來地球科學激光雷達任務
3.1 冰蓋、云和陸地海拔監測衛星-2任務 (ICESat-2)
ICESat-2 是ICESat的后續任務。ICESat于2003年1月發射，于2010年2月結束工作。ICESat-2將提供高質量的地形測量數據，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(Advanced Topographic Laser Altimeter System，ATLAS)。原始的ATLAS設計是一個蛋光束激光高度系統，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進行了重新設計。現在的設計采用了非掃描6光束系統，光束排布方式為3×2，采用微脈沖光子計數方式，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透過率結果；(下左) 現在選擇的1572.33 nm CO2吸收線和波長采樣策略；(下右) 計算的權重函數
3.2 夜間、白天和季節二氧化碳排放主動監測計劃 (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監測氣溶膠和云的變化，為開放海域生物地球化學監測海色的變化。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，數據更新率為每月一次，可以提供對無云海洋的連續測量，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技術。
圖3 空間激光雷達性能和500km軌道高度雷達模裝圖
3.3 激光雷達表面形貌測量任務 (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激光系統的基本原理框圖
該激光系統共有四個獨立通道，每個通道的性能參數如表1所示。
表1 每個通道的性能參數
3.4 地球重力場測量和氣候實驗任務(GRACE-FO和GRACE-2)
GRACE-2系統預計2025年發射，該系統采用了激光測距系統獲得更高的精度。GRACE-FO系統預計2016年發射，用來驗證GRACE-2系統中使用的激光測距系統的可行性。GRACE-FO中的單頻激光器的性能指標如表2所示。
表2 GRACE-FO中的單頻激光器的性能指標
4 結 論
在未來20年內，將陸續有越來越多的空間激光載荷應用，包括地圖、光譜、遠程傳感和其它科學實驗研究的應用。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，更高的波長穩定度或調諧范圍。
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