本文作者：張揚  詹一帆

大氣中的溫室氣體如何被精確“跟蹤”，空氣中懸浮的細小顆粒物如何被“層析”，氣象部門需要的云圖風場如何被“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

從古希臘時期到公元1000年左右，人們對于光的認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)理論并使用實驗進行驗證，開啟了現(xiàn)代光學(xué)的序幕。經(jīng)過漫長的中世紀，西方的物理學(xué)家們相繼提出光的波動學(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)變的一個啟發(fā)性觀點》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，為激光的發(fā)明奠定了理論基礎(chǔ)。

▲ 人類對光的認識到激光的誕生

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，靜止時沒有質(zhì)量。根據(jù)量子力學(xué)的原理，一個原子體系中，電子基本上是分層運動的。當光子射入時，原子核會吸入光子，而電子則因為獲得了能量，從勢能較低的內(nèi)層遷移到勢能較高的外層（受激吸收過程）。當電子從勢能較高的外層跌入勢能較低的內(nèi)層時，相應(yīng)的原子核會釋放出光子，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，來自美國加利福尼亞州休斯實驗室的梅曼利用高強閃光燈管，使紅寶石中的鉻原子受到激發(fā)，發(fā)出波長為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，研制出我國第一臺紅寶石激光器。1964年，錢學(xué)森先生為它定了這個名字：“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，在同年全國第三屆光量子放大器學(xué)術(shù)報告會上受到了參會專家的一致贊同。從此，中國對laser有了統(tǒng)一的漢語名稱。

▲ 我國與世界第一臺紅寶石激光器及原理圖示

激光的特點在于它所有的光子都以同樣的波長、同樣的相位一起運動。與自然光相比，主要有三大特點：

定向性強：絕大多數(shù)的激光光束發(fā)射后不會向四周發(fā)散,而是筆直向前。相對而言，自然光則會向四面八方擴散。

單色性強：激光是純粹的某一種顏色(由波長或頻率決定)的光。與此相對，自然光是多種顏色混合的光。

干涉性強：由于激光的光相位(波峰和波谷)在時間上一致，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，對激光經(jīng)過傳輸介質(zhì)產(chǎn)生的延時、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）、熒光等信號進行遙測，具備時間分辨和高度分辨測量能力，并從這些信號中反演出介質(zhì)的物理和光學(xué)特性信息的測量技術(shù)。下圖為激光雷達系統(tǒng)構(gòu)成及探測原理示意圖，雷達系統(tǒng)主要由激光發(fā)射、望遠鏡接收和數(shù)據(jù)采集存儲三部分構(gòu)成。對于每一次探測，首先由發(fā)射部分發(fā)射窄線寬、高準直和高功率的激光，光子經(jīng)過大氣，到達地表（包括海洋），在這個傳輸過程中，光子會與大氣成分發(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）光子由接收望遠鏡接收并進行光學(xué)處理，最后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成信號收集和存儲。光子是以光速傳播的，整個探測過程在5毫秒內(nèi)完成（對于軌道高度約700公里的衛(wèi)星），激光雷達通過高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（采樣頻率大于兆赫茲）實現(xiàn)高距離分辨率的采樣探測。

▲ 激光雷達系統(tǒng)構(gòu)成及探測原理

激光遙感技術(shù)是一種重要的遙感手段，對地觀測是其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，利用激光雷達技術(shù)獲取地球表面、大氣、海洋成分、大氣動力學(xué)等參數(shù)。按照激光與物質(zhì)作用機理的不同，激光遙感技術(shù)主要有散射機制的激光高度計、后向散射激光雷達、差分吸收激光雷達、多普勒激光雷達，以及拉曼、熒光激光雷達等遙感技術(shù)體制。

01、激光高度計

激光高度計是利用航空或者低軌道飛行器平臺，通過記錄發(fā)射和接收光脈沖的時間差乘以光速來獲取平臺與地面的距離，再經(jīng)過對平臺的飛行姿態(tài)、指向和幾何定標獲得絕對高程的信息。如果采用多激光束探測或配合掃描機構(gòu)，可以大幅提高水平分辨率，也可以實現(xiàn)對被探測目標的三維成像。將激光高度計與相機配合使用，可以實現(xiàn)三維立體彩色和多光譜成像。

▲ 星載激光測高

02、后向散射激光雷達技術(shù)

后向散射激光雷達主要用于測量大氣氣溶膠、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）信號的激光雷達，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激光雷達。高光譜探測激光雷達可以分離氣溶膠和分子信號，從而實現(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作為參考，如氮氣拉曼散射信號可提供分子散射信號的參考，也可區(qū)分分子和氣溶膠散射。

▲ 海洋探測激光雷達

03、多普勒激光遙感技術(shù)

多普勒激光雷達通過發(fā)射激光脈沖和測量返回信號的多普勒頻移量確定大氣風速、目標速度和目標振動頻譜等信息。目前主要有兩種多普勒激光遙感技術(shù)，即相干探測和直接探測激光雷達技術(shù)。相干探測多普勒激光雷達，利用本振激光與后向散射光進行混頻探測，得到多普勒頻移信息。相干激光多普勒測風雷達利用從氣溶膠和云的散射信號進行風速探測，在行星邊界層0~3km高度內(nèi)可以實現(xiàn)高精度風場探測。

直接探測多普勒激光雷達，可以直接利用氣溶膠、微粒和分子的散射信號，探測3~25km高的對流層上層大氣風場。多普勒激光遙感技術(shù)還可以應(yīng)用于目標振動譜探測，主要采用相干探測技術(shù)獲取目標振動譜信息，實現(xiàn)對目標振動監(jiān)測等應(yīng)用。

▲ 風場探測激光雷達

04、差分吸收激光雷達

差分吸收激光雷達主要用于探測大氣中的氣體成分濃度。激光雷達需要發(fā)射被測氣體相關(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，通過測量不同回波激光信號的光強差，來測量氣體吸收特征譜線的真實吸收信號，從而獲取被測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，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，因此對差分吸收激光雷達來說，需要選取合適的吸收譜線，同時要考慮激光器的可實現(xiàn)程度。

▲ 差分吸收激光雷達探測原理

衛(wèi)星激光遙感的獨特優(yōu)勢

目前地球科學(xué)迫切需要定量遙感的三個方向：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；三是大氣動力學(xué)，主要是大氣風場。激光遙感可以實現(xiàn)全球高垂直分辨率、高精度測量。激光遙感相對其他傳感器，在對地觀測方面所具備的獨特優(yōu)勢有以下幾個方面：

▲ 大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星大氣探測激光雷達獲取全球全天時CO₂柱濃度與云、氣溶膠分類遙感產(chǎn)品

1）對于提高全球天氣預(yù)報精度，急需突破全球?qū)α鲗语L場剖面的高精度測量。多普勒激光雷達被認為是能夠獲得滿足需求精度（1m/s，100km水平分辨率）的大氣風場測量的唯一方法。

2）差分吸收激光雷達是獲得高精度對流層二氧化碳分布（0.3%的混合比）的唯一途徑，尤其對于了解全球碳循環(huán)、溫室效應(yīng)和地球生命的可持續(xù)性非常關(guān)鍵。

3）差分吸收激光雷達是高分辨率測量全球?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)，對于對流層中的化學(xué)物質(zhì)、輻射、對流、動力和傳輸過程的建模和評估十分關(guān)鍵。

4）差分吸收激光雷達也是高精度測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)，是進一步研究對流過程和強風暴發(fā)展所必需的。

5）后向散射激光雷達是高精度（30m）測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，它們在氣候建模和研究中是必需的。

6）激光雷達是測量海洋混合層中微粒分布的唯一方法，這對于理解海洋碳儲量和流通是如何影響全球碳循環(huán)是必要的。

7）激光高度計是測量變化小于1cm/年水平的表面分布的唯一技術(shù)，對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。

在激光測控技術(shù)領(lǐng)域，利用激光遙感技術(shù)可以實現(xiàn)對飛行器軟著陸過程的精密測距、測速，空間飛行器之間的交會對接等，以及實現(xiàn)目標偵查、精確制導(dǎo)、精密測軌等應(yīng)用，還可廣泛應(yīng)用到無人駕駛的自動避障、機器人自動目標識別等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，主要發(fā)揮激光遙感精密測距、測速、測角等綜合能力。