一、技术背景与设备定位
大气探测激光雷达是我国自主研发的全球首台星载主动激光二氧化碳探测设备，其核心使命是突破传统被动遥感技术的时空限制，实现全球范围内二氧化碳浓度的全天时、高精度监测。该设备搭载于2022年4月发射的大气环境监测卫星，并于2024年7月正式投入使用，标志着我国在星载激光雷达领域达到国际领先水平。
传统被动遥感技术依赖太阳光反射，存在夜间无法监测、云层干扰严重等缺陷。而星载激光雷达通过主动发射多波段激光，直接接收大气散射回波信号，实现了对二氧化碳柱浓度及云/气溶胶垂直分布的实时反演。其探测精度优于1ppm，覆盖南北纬65度范围内的全球区域，填补了国际上全天时二氧化碳监测的技术空白。
二、核心技术架构与工作原理
1. 多波段激光发射与回波接收
设备采用532nm、1064nm和1572nm三波段激光，覆盖从可见光到近红外的光谱范围。其中：
- 532nm波段：用于气溶胶光学厚度及粒径分布探测，通过米氏散射理论反演气溶胶特性；
- 1064nm波段：穿透云层能力更强，适用于云层高度及垂直结构的监测；
- 1572nm波段：针对二氧化碳分子吸收峰设计，通过差分吸收算法计算柱浓度。
激光发射系统采用高功率脉冲激光器，单脉冲能量达毫焦级，确保回波信号强度。接收系统则配备高灵敏度光电探测器，结合时间分辨技术区分不同高度层的散射信号。
2. 反演算法与数据处理
反演算法是激光雷达的核心，其流程包括：
- 信号预处理：去除噪声、校正背景光干扰；
- 高度分层：根据时间延迟划分大气垂直层；
- 浓度计算：结合1572nm波段吸收系数与532nm波段参考信号，求解二氧化碳柱浓度；
- 气溶胶修正：利用1064nm波段数据校正气溶胶对激光的散射影响。
为确保精度，算法引入在轨绝对定标技术，通过对比地面基准站数据修正初始误差，使探测结果达到国际最高分辨率。
3. 姿轨控与光轴标定技术
卫星姿轨控分系统采用三轴零动量控制技术，通过高精度多头星敏感器实现姿态稳定，控制精度达0.001°。该技术有效抑制了卫星振动对激光发射方向的影响，确保回波信号的空间一致性。
无控制点激光光轴自标定技术是另一大突破。传统标定需依赖地面控制点，而该技术通过分析星内激光发射与接收的相对位移，结合卡尔曼滤波算法，实现在轨校准精度达微弧度量级。这一创新大幅降低了对地面支持的依赖，提升了设备的自主运行能力。
三、技术性能与应用场景
1. 全球覆盖与全天时探测
设备首次实现了全球范围内二氧化碳柱浓度的全天时监测，覆盖南北纬65度区域。其数据分辨率达到国际最高水平，可清晰识别区域性碳排放源，如城市群、工业区等。
2. 多要素综合监测
除二氧化碳外，设备可同步获取：
- 云层高度：通过1064nm波段回波延迟计算；
- 气溶胶光学厚度：532nm波段散射系数反演；
- 粒径分布：多波段散射比分析。
这种多要素监测能力为气候模型提供了更全面的输入参数，提升了预测准确性。
3. 跨领域数据应用
截至2024年7月，卫星数据已广泛应用于：
- 生态环境监测：追踪森林碳汇变化，评估生态修复效果；
- 气象预测：结合气溶胶数据改进数值天气预报模型；
- 农业领域：分析二氧化碳浓度对作物光合作用的影响，优化种植策略。
数据还纳入全球大气环境监测网络，为国际气候谈判提供了中国方案。
四、研发突破与团队贡献
项目由某航天研究院控制所张艳召、孙尚等团队主导，历时5年攻克了三大技术难题：
- 星载激光器小型化：在体积、重量受限条件下实现毫焦级脉冲输出；
- 热控设计：通过相变材料与液冷循环，确保激光器在-40℃~60℃环境下稳定工作；
- 在轨数据处理：开发轻量化反演算法，适配卫星有限算力。
团队还建立了地面仿真平台，模拟不同纬度、季节的大气条件，验证了设备在极端环境下的可靠性。
五、技术对比与国际影响
与传统被动遥感相比，星载激光雷达具有显著优势：
| 指标 | 被动遥感 | 星载激光雷达 |
|—————————|——————————|————————————|
| 监测时间 | 仅日间 | 全天时 |
| 云层穿透能力 | 弱 | 强（1064nm波段） |
| 垂直分辨率 | 公里级 | 百米级 |
| 数据更新频率 | 每日1次 | 每15分钟1次 |
国际上，主流云服务商曾尝试通过卫星星座实现类似功能，但受限于技术成熟度，其探测精度与覆盖范围均不及我国设备。我国技术的突破，为全球气候治理提供了新的技术路径。
六、未来展望
随着“双碳”战略的深入，星载激光雷达将向更高精度、更多要素方向发展。例如，通过增加1.6μm波段激光，可实现对甲烷等温室气体的同步监测；结合人工智能算法，可实时识别碳排放异常点。此外，设备的小型化与低成本化将推动其在商业气象、农业监测等领域的普及。
我国星载激光雷达技术的成功，不仅彰显了自主研发能力，更为全球应对气候变化贡献了中国智慧。未来，随着技术的持续迭代，其在环境科学、地球系统研究等领域的应用前景将更加广阔。