[科普中国]-云-气溶胶激光雷达

研发背景

美国是星载激光雷达的先行者, 曾在1994 年9月20 日用发现号航天飞机搭载激光雷达进行了激光雷达空间技术试验(Lidar In-space Technolog yExperiment s , LITE), 证明了空间激光雷达在研究气溶胶和云方面的潜力。LITE 成为世界上首个地球轨道激光雷达试验。

随后, 美国NASA 在1998 年与法国国家航天中心(CNES)合作开始实施“云-气溶胶激光雷达和红外探测者卫星观测”(Cloud-Aeroso ls Lidar and Inf rared Pathfinder Satellite Observat ions ,CA LIPSO)计划, 该计划的任务是提供全球的云和气溶胶观测数据, 用于研究云和气溶胶对气候的影响。2006 年4 月28 日, CA LIPSO 卫星由德尔它
-II 火箭发射升空, 正交偏振云-气溶胶激光雷达(Cloud-Aeroso l LIdar w i th Orthog onal Polarization, CA LIOP)则是CA LIPSO 卫星的主要有效载荷之一。相比于LITE ,CA LIPSO 采用了偏振检测技术, 实现了全球覆盖, 其首批试验结果更表明,CA LIOP 具备识别气溶胶、沙尘、烟尘以及卷云的能力, 它成为世界上首个应用型的星载云和气溶胶激光雷达, 其观测能力优异。2

系统组成发射系统发射系统共采用了两套完全相同的激光发射装置, 一套为主份, 另一套为备份。发射系统所用激光器为1 064nm 的Nd :YAG 激光器,Nd :YAG 激光器有192 个半导体激光器泵浦, 单脉冲输出最高可达440mJ 。为了提高可靠性和使用寿命, 应用中激光单脉冲输出调整为220mJ 。通过使用倍频技术, 发射系统可获得532nm 波长的激光脉冲输出, 最终发射系统将输出单脉冲能量均为110mJ 的1 064nm 和532nm的激光, 脉宽20ns , 重复频率20 .16Hz 。激光器通过光束准直系统之后, 其发散角可达100μrad 。根据激光脉冲重复频率以及光束发散角可得, 云-气溶胶激光雷达地面水平分辨率为333m , 地面光斑大小为70m 。视场校准机构能将发射系统视场与接收视场进行校准, 校准机构调节范围±1°, 分辨率1.6μrad , 校准精度优于13μrad 。2

接收系统CALIOP 接收系统采用1m 直径的望远镜系统, 视场为130mrad , 覆盖整个发射系统视场100μrad 。望远镜系统接收的散射光脉冲聚焦后经后续透镜准直入射到分光镜上, 反射光为532nm 的光脉冲, 它经过干涉滤光片和窄带标准具来减小太阳背景光的影响, 然后再由偏振分光镜分为两偏振方向相互垂直的偏振光532nm 平行光和532nm 垂直光, 用于正交偏振检测, 通过对比反向散射的正交偏振成分的比率, 可区分云的冰相和水相。消偏器则用于望远
镜的校准。分光镜的透射光为1 064nm 的光脉冲回波, 它经过干涉滤光片后由探测器直接探测。

光电倍增管有较大的动态范围、很低的暗噪声以及较好的量子效率, 它用于检测532nm 光脉冲信号。532nm 光脉冲检测电路采用2 个14 位的数字转换器实现了22 位的动态范围。但光电倍增管在1 064nm 处的量子效率比较低, 故系统中采用雪崩二极管来检测1 064nm 的激光脉冲回波。532nm通道的灵敏度要优于1 064nm 通道的灵敏度。2

性能参数“云-气溶胶激光雷达”采用双波长（532nm，1064nm）的正交极化雷达，可提供高分辨率（30m）的气溶胶和云的垂直分布。雷达质量156kg，功率124W，数据传输速率316kbit/s。该雷达有3个通道，1个通道测量1064nm的后向散射强度，另外2个通道测量532nm后向散射信号的正交极化部分。水平分辨率333m，垂直分辨率30m，视场130urad。1