本文作者：张扬  詹一帆

大气中的温室气体如何被精确“跟踪”，空气中悬浮的细小颗粒物如何被“层析”，气象部门需要的云图风场如何被“抓拍”，海洋次表层下的世界是怎样的“绚丽多彩”，地球表面高低起伏的山川盆地又如何被高精度“绘制”，这一切都可以利用激光遥感手段来实现。那么什么是激光？激光遥感又为何如此全能？下面就让我们来一探究竟！

激光：从经典几何光学向光量子的跨越

从古希腊时期到公元1000年左右，人们对于光的认知还处于定性的阶段。1021年，伊本·海塞姆出版的《光学之书》，提出光学理论并使用实验进行验证，开启了现代光学的序幕。经过漫长的中世纪，西方的物理学家们相继提出光的波动学说和微粒学说来解释光的各种物理现象。直到被称为“物理奇迹年”的1905年，天才物理学家爱因斯坦先后发表了五篇具有划时代意义的论文，其中一篇《关于光的产生和转变的一个启发性观点》首次提出了光子的概念，发现了光电效应，并获得了诺贝尔物理学奖，为激光的发明奠定了理论基础。

▲ 人类对光的认识到激光的诞生

在了解激光遥感之前，我们先来看看什么是激光？ 

激光（英文名：laser）是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的缩写，意为光的受激辐射放大。光是由光子产生的，光子是组成物质的基本粒子之一，光子非常小，静止时没有质量。根据量子力学的原理，一个原子体系中，电子基本上是分层运动的。当光子射入时，原子核会吸入光子，而电子则因为获得了能量，从势能较低的内层迁移到势能较高的外层（受激吸收过程）。当电子从势能较高的外层跌入势能较低的内层时，相应的原子核会释放出光子，从而产生光。跌落的层数越多，光子的能量越大（受激发射过程）。

▲ 光子的吸收和发射图示

科学家们历经40多年的不懈探索，来自美国加利福尼亚州休斯实验室的梅曼利用高强闪光灯管，使红宝石中的铬原子受到激发，发出波长为694.3nm的红光，成为人类有史以来获得的第一束激光。仅仅1年之后，在王之江院士的领导下，研制出我国第一台红宝石激光器。1964年，钱学森先生为它定了这个名字：“激光”，这一名称既描述和传统光的不同，又体现了受激发生、激发态等意义，在同年全国第三届光量子放大器学术报告会上受到了参会专家的一致赞同。从此，中国对laser有了统一的汉语名称。

▲ 我国与世界第一台红宝石激光器及原理图示

激光的特点在于它所有的光子都以同样的波长、同样的相位一起运动。与自然光相比，主要有三大特点：

定向性强：绝大多数的激光光束发射后不会向四周发散,而是笔直向前。相对而言，自然光则会向四面八方扩散。

单色性强：激光是纯粹的某一种颜色(由波长或频率决定)的光。与此相对，自然光是多种颜色混合的光。

干涉性强：由于激光的光相位(波峰和波谷)在时间上一致，因此干涉性好(可干涉性)，通过合成该波可以获得大振幅(输出大)的波。

简单来说，激光就是通过受激辐射产生的，在特定“泵浦源”的作用下，激光工作物质（激光材料）被“激发”出来的“光辐射”。

激光遥感技术

激光遥感技术是指用激光作为发射源，对激光经过传输介质产生的延时、频移，以及激光导致介质引起的吸收、散射（包含弹性散射，以及拉曼散射或布里渊散射等非弹性散射）、荧光等信号进行遥测，具备时间分辨和高度分辨测量能力，并从这些信号中反演出介质的物理和光学特性信息的测量技术。下图为激光雷达系统构成及探测原理示意图，雷达系统主要由激光发射、望远镜接收和数据采集存储三部分构成。对于每一次探测，首先由发射部分发射窄线宽、高准直和高功率的激光，光子经过大气，到达地表（包括海洋），在这个传输过程中，光子会与大气成分发生相互作用，被大气成分吸收和散射（在地表为反射作用），散射（反射）光子由接收望远镜接收并进行光学处理，最后数据采集系统完成信号收集和存储。光子是以光速传播的，整个探测过程在5毫秒内完成（对于轨道高度约700公里的卫星），激光雷达通过高速数据采集系统（采样频率大于兆赫兹）实现高距离分辨率的采样探测。

▲ 激光雷达系统构成及探测原理

激光遥感技术是一种重要的遥感手段，对地观测是其最主要的应用领域，利用激光雷达技术获取地球表面、大气、海洋成分、大气动力学等参数。按照激光与物质作用机理的不同，激光遥感技术主要有散射机制的激光高度计、后向散射激光雷达、差分吸收激光雷达、多普勒激光雷达，以及拉曼、荧光激光雷达等遥感技术体制。

01、激光高度计

激光高度计是利用航空或者低轨道飞行器平台，通过记录发射和接收光脉冲的时间差乘以光速来获取平台与地面的距离，再经过对平台的飞行姿态、指向和几何定标获得绝对高程的信息。如果采用多激光束探测或配合扫描机构，可以大幅提高水平分辨率，也可以实现对被探测目标的三维成像。将激光高度计与相机配合使用，可以实现三维立体彩色和多光谱成像。

▲ 星载激光测高

02、后向散射激光雷达技术

后向散射激光雷达主要用于测量大气气溶胶、云光学特性，以及海洋和生态系统的参数。后向散射激光雷达体制，包括基于米散射（微粒、云与气溶胶散射）和瑞利散射（分子散射）信号的激光雷达，也包括利用光谱技术可以分离米散射和瑞利散射的高光谱探测激光雷达。高光谱探测激光雷达可以分离气溶胶和分子信号，从而实现气溶胶光学特性的定量遥感。同样的概念可以应用于海水，利用海洋激光雷达高光谱技术，可获得海水的衰减与后向散射系数，从而获得海水的固有光学参数剖面信息。另外，也有利用部分大气分子的拉曼散射信号作为参考，如氮气拉曼散射信号可提供分子散射信号的参考，也可区分分子和气溶胶散射。

▲ 海洋探测激光雷达

03、多普勒激光遥感技术

多普勒激光雷达通过发射激光脉冲和测量返回信号的多普勒频移量确定大气风速、目标速度和目标振动频谱等信息。目前主要有两种多普勒激光遥感技术，即相干探测和直接探测激光雷达技术。相干探测多普勒激光雷达，利用本振激光与后向散射光进行混频探测，得到多普勒频移信息。相干激光多普勒测风雷达利用从气溶胶和云的散射信号进行风速探测，在行星边界层0~3km高度内可以实现高精度风场探测。

直接探测多普勒激光雷达，可以直接利用气溶胶、微粒和分子的散射信号，探测3~25km高的对流层上层大气风场。多普勒激光遥感技术还可以应用于目标振动谱探测，主要采用相干探测技术获取目标振动谱信息，实现对目标振动监测等应用。

▲ 风场探测激光雷达

04、差分吸收激光雷达

差分吸收激光雷达主要用于探测大气中的气体成分浓度。激光雷达需要发射被测气体相关的特征谱线，包括气体吸收和临近非吸收特征谱线激光束，通过测量不同回波激光信号的光强差，来测量气体吸收特征谱线的真实吸收信号，从而获取被测气体的高精度浓度信息。

目前，天气、气候研究最关注大气温室气体的探测，包括H₂O、CO₂、CH₄和O₂的浓度及其变化。由于不同气体的吸收谱线差异较大，因此对差分吸收激光雷达来说，需要选取合适的吸收谱线，同时要考虑激光器的可实现程度。

▲ 差分吸收激光雷达探测原理

卫星激光遥感的独特优势

目前地球科学迫切需要定量遥感的三个方向：一是大气成分（如二氧化碳、臭氧、甲烷、水汽等影响天气和气候的成分），以及影响辐射平衡的云和气溶胶；二是地球表面参数，包括地球表面形貌、植被、海底深度；三是大气动力学，主要是大气风场。激光遥感可以实现全球高垂直分辨率、高精度测量。激光遥感相对其他传感器，在对地观测方面所具备的独特优势有以下几个方面：

▲ 大气环境监测卫星大气探测激光雷达获取全球全天时CO₂柱浓度与云、气溶胶分类遥感产品

1）对于提高全球天气预报精度，急需突破全球对流层风场剖面的高精度测量。多普勒激光雷达被认为是能够获得满足需求精度（1m/s，100km水平分辨率）的大气风场测量的唯一方法。

2）差分吸收激光雷达是获得高精度对流层二氧化碳分布（0.3%的混合比）的唯一途径，尤其对于了解全球碳循环、温室效应和地球生命的可持续性非常关键。

3）差分吸收激光雷达是高分辨率测量全球对流层臭氧剖面（1~2km垂直分辨率，100km水平分辨率）的唯一技术，对于对流层中的化学物质、辐射、对流、动力和传输过程的建模和评估十分关键。

4）差分吸收激光雷达也是高精度测量边界层全球水汽分布（0.5km垂直分辨率，100km水平分辨率）的唯一技术，是进一步研究对流过程和强风暴发展所必需的。

5）后向散射激光雷达是高精度（30m）测量云层和气溶胶光学特性（包括行星边界层高度、云底、云顶、云极化、气溶胶散射分布）的唯一方法，它们在气候建模和研究中是必需的。

6）激光雷达是测量海洋混合层中微粒分布的唯一方法，这对于理解海洋碳储量和流通是如何影响全球碳循环是必要的。

7）激光高度计是测量变化小于1cm/年水平的表面分布的唯一技术，对于研究地表植被覆盖、地表地形、火山监视、全球海平面、气候变化引起的极地冰层变化十分关键。

在激光测控技术领域，利用激光遥感技术可以实现对飞行器软着陆过程的精密测距、测速，空间飞行器之间的交会对接等，以及实现目标侦查、精确制导、精密测轨等应用，还可广泛应用到无人驾驶的自动避障、机器人自动目标识别等领域。在这些领域中，主要发挥激光遥感精密测距、测速、测角等综合能力。