1 南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学大气物理学院，江苏 南京 210044
3 青海省气象台，青海 西宁 810012
4 上海卫星工程研究所，上海 200240
星载测风激光雷达具有高精度、高垂直分辨率、全球覆盖等特点，是获取全球风场的有效手段。聚焦于米散射通道测风模式，对冰云与气溶胶同时存在的较复杂场景实施星载激光雷达测风的仿真模拟。基于菲佐干涉仪的测风原理构建了一套包含6个子模块的正演模型，以大气激光多普勒雷达（ALADIN）仪器参数作为输入值，模拟了典型场景下的探测信号，并结合反演分析了测风精度水平。结果发现，云层和气溶胶的回波能够增强探测器获取信号的信噪比，从而提升反演精度，将风速误差控制在±1.2 m/s范围内；但当云层冰水含量较大时，由于衰减作用使得云层下方信噪比削弱，从而增大反演风速误差，部分区域甚至无法实施有效探测。另外，在采用重心法反演风速时，可通过增加累积电荷耦合器件（ACCD）探测器通道数来减小风速振荡误差。上述研究可为设计和改进星载测风技术提供参考。
遥感 星载激光雷达 主动遥感 菲佐干涉仪 仿真模拟 非相干测风 中国激光
2023, 50(23): 2310002
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
3 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
卫星遥感能够获取全球范围的大气环境参数，主要包括主动和被动两类探测技术。星载激光雷达作为典型的主动光学遥感载荷可以用于探测全球大气气溶胶、云、大气风场和温室气体等，并可以反演垂直廓线信息。本文概述了星载激光雷达探测技术的发展历程，较为全面地总结了星载激光雷达载荷轨道及技术参数，并与被动光学遥感载荷进行了比较，探讨了主被动星载大气探测载荷各自的优劣势和未来发展趋势。通过对比分析，为未来不同应用场景的大气探测载荷选择提供参考，有助于更好地利用卫星数据反演全球大气参数。
星载激光雷达 主被动遥感 光学载荷 大气环境参数 大气探测 光学学报
2023, 43(18): 1899902
1 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
4 生态环境部卫星环境应用中心，北京 100094
5 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
6 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
7 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
8 崂山实验室，山东 青岛 266237
为实现对全球气溶胶光学参数剖面的高精度测量，采用基于碘分子滤波器的高光谱分辨率探测技术。结合欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的大气再分析数据集（ERA5）的温度和压强数据，选取在轨期间途经撒哈拉沙漠和加拿大山火区域的星载高光谱分辨率激光雷达（HSRL）的观测数据，对沙尘类气溶胶和烟尘类气溶胶的光学特性进行分析，包括气溶胶的后向散射系数、消光系数、退偏振比和雷达比。结果表明：撒哈拉沙漠地区近地面5 km以内的气溶胶分布主要以沙尘类气溶胶为主，其退偏振比集中在0.2~0.4，雷达比数值集中在40~60 sr；加拿大山火地区的气溶胶主要以烟尘类气溶胶为主，其退偏振比集中在0.02~0.15，雷达比在50~70 sr范围。激光雷达特有的高光谱探测技术，在气溶胶和云的精细化探测和分类方面具有重要应用，将在环境监测中发挥重要作用。
大气气溶胶 云 气溶胶光学参数 星载激光雷达 高光谱分辨率探测技术 光学学报
2023, 43(18): 1899901
1 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
2 上海卫星工程研究所，上海 201109
3 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
为了满足星载大气探测激光雷达在轨应用需求，对该系统采用的空间大能量脉冲固体激光器进行了空间环境下的热控设计仿真及试验研究。首先根据激光载荷整体布局以及轨道特性参数分析并计算了激光器外部空间热环境，随后介绍了激光器构型及热设计，然后利用热传导以及空间热辐射理论建立了热分析模型，开展了激光器在轨热设计及仿真，并通过空间热真空环境试验验证了热控方案。激光器在轨工作温度波动优于±0.033 ℃，激光器内部关键器件大功率的激光放大器模块温度低于28 ℃，实现了大能量脉冲固体激光器在轨超高精度控温，满足了激光器在轨稳定运行工作的使用要求，为激光雷达在轨正常工作提供了重要保障。
激光器 星载激光雷达 空间激光器 热设计 传导辐射制冷 中国激光
2023, 50(14): 1401005
1 中国矿业大学（北京） 地球科学与测绘工程学院，北京 100083
2 自然资源部国土卫星遥感应用中心，北京 100048
3 河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100
星载激光点位高程精度是其辅助光学立体影像复合测绘的基础。针对光学影像立体测绘对激光高程控制点精度的需求，提出了一种基于多特征参数约束的星载激光高程控制点提取方法。该方法利用全波形数据包含的目标地物垂直结构信息，分析高精度激光高程控制点特征，基于数据的有效性、波形的峰值个数、回波特征参数实现逐级约束筛选。选取信噪比、峰度和偏度作为评价指标，通过全波形数据回波特征参数的计算、统计与分析，确定其信噪比、峰度和偏度阈值，最终高效提取出可用于星载激光高程控制点的有效波形数据。以我国高分七号数据为试验对象，选取草地、戈壁、道路、水体、沙地、耕地六种典型地物样本，确定适用于提取高分七号高程控制点的信噪比、峰度与偏度的阈值。以江苏地区机载LiDAR点云数据为参考，验证分析高程控制点提取和阈值设定的准确性，试验结果表明：基于多特征参数约束算法，利用设定的适用于GF-7卫星的参数阈值，可以高效、准确地从原始波形数据中提取出有效波形用于高精度高程控制点生产。以与参考数据高程差0.32 m为高程精度要求，提取准确性平均为90.34%，所提取的激光高程平均测量精度优于0.5 m。
回波特征 高程控制点 全波形数据 星载激光 高分七号 echo characteristics elevation control point full-waveform data spaceborne laser GF-7 红外与激光工程
2022, 51(9): 20210997
1 中国科学技术大学 地球和空间科学学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院近地空间环境重点实验室，安徽 合肥 230026
3 安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，安徽 亳州 233527
4 北京遥测技术研究所，北京 100076
星载测风激光雷达可以提供全球范围高实时性、高精度、高分辨率的大气风场信息，已经被认为是解决全球化风场观测的最佳手段。我国也在积极开展星载多普勒测风激光雷达相关研究工作。针对400 km高度的卫星轨道，设计并研制了一套多普勒直接测风激光雷达光学接收机，结合双边缘检测原理和星载平台相关技术参数，对Fabry-Perot标准具的主要参数进行设计。为了满足星载平台对稳定性和小型化的需求，接收机中主要光学元件之间采用分子粘接方式紧密连接。整个光学接收机集成在450 mm×300 mm×80 mm密闭箱体中，内部光学元件采用倒插方式沉入接收机壳体的凹槽内，整体结构稳定可靠，集成度高。通过改变激光波长的方式扫描Fabry-Perot标准具的透过率曲线，对所研制的接收机进行了性能测试。并由透过率曲线的实测参数对接收机的测风性能进行仿真，仿真结果显示在30 km处的最大风速误差为2.94 m/s。并进一步分析了接收机带宽增宽对测风精度的影响，分析结果显示带宽偏差为0.43 pm时，会引起1 m/s的风速误差增量。
星载激光雷达 法布里-珀罗标准具 多普勒测风 双边缘检测 spaceborne lidar Fabry-Perot etalon Doppler wind measurement dual edge detection 红外与激光工程
2022, 51(9): 20210831
红外与激光工程
2022, 51(10): 20220003
张鑫磊 1,2,3,*徐青 1,2,3邢帅 1,2,3高铭 1,2,3[ ... ]王晋 1,2,3
1 战略支援部队信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州 450001
2 智慧中原地理信息技术河南省协同创新中心，河南 郑州 450001
3 时空感知与智能处理自然资源部重点实验室，河南 郑州 450001
针对我国对星载激光雷达的研究还不够充分，拟开展光学遥感影像和星载激光雷达混合源摄影测量研究。通过对星载激光雷达光子数据进行数字高程模型（DEM）面积元轨迹匹配，建立激光测高点轨迹与遥感影像生成数字表面模型（DSM）间的对应关系。将筛选后地面光子与高分辨率光学遥感影像进行联合区域网平差，并基于顾及激光测高点坐标误差的迭代求解方法，实现卫星遥感影像立体定位精度的提高。星载激光雷达数据ATL03、高分七号（GF-7）和天绘三号（TH-3）卫星遥感影像用于验证该方法的性能。实验结果表明，本文方法可以有效提高无地面点控制下卫星遥感影像立体定位精度，高程精度可达1.258 m。
遥感 星载激光雷达 卫星遥感影像 联合平差 数字高程模型匹配 ICESat-2 光学学报
2022, 42(24): 2428001
宁波大学信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211
遥感卫星具有覆盖范围广、连续观测等特点，被广泛应用于海雾识别相关研究。本文首先借助能够穿透云层，获取大气剖面信息的星载激光雷达(cloud-aerosol LiDAR with orthogonal polarization, CALIOP)对中高云、低云、海雾、晴空海表样本进行了标注。然后结合葵花8号卫星(Himawari-8)多通道数据提取了各类样本的亮温特征与纹理特征。最后根据海雾监测的需求，抽象出海雾监测的推理决策树，并据此建立深度神经决策树模型，实现了高精度监测夜间海雾的同时具备较强的可解释性。选择2020年6月5日夜间Himawari-8每时次连续观测数据进行测试，监测结果能够清晰地展现此次海雾事件的动态发展过程。同时本文方法海雾监测平均命中率(probability of detection, POD)为87.32%，平均误判率(false alarm ratio, FAR)为13.19%，平均临界成功指数(critical success index, CSI)为77.36%，为海上大雾的防灾减灾提供了一种新方法。
1 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
2 浙江大学宁波科创中心，浙江 宁波 315100
星载环境探测激光雷达能够获取昼夜环境垂直剖面信息，已成为各国发展的重要遥感技术。经过近30年的发展，该技术获取了大量全球地表信息和大气海洋环境信息，为人类合理利用地球资源、应对全球生态环境和气候问题做出了巨大贡献。概述了星载环境探测激光雷达的发展历史，重点阐述了星载激光雷达模拟器、星地真实性检验和数据处理与应用等关键技术，探讨了星载环境探测激光雷达技术的未来发展方向。通过介绍星载环境探测激光雷达及其关键技术的背景知识，帮助科研人员理解星载环境探测激光雷达如何为地球系统探测提供关键数据，从而更好地保障数据精度及将数据应用于地球科学研究。
测量 星载激光雷达 大气科学 海洋科学 测绘 环境 气候 光学学报
2022, 42(17): 1701001
