国外星载激光高度计系统研究新进展 | 前沿

图1 美国对地观测激光雷达发展规划

表1国外星载激光高度计系统（截止2016年底）

1、火星观测者激光高度计（MOLA-1）

1992年9月25日，美国发射的“火星观测者”（MarsObserver）号飞船上搭载了全球第一套天基激光二极管泵浦的固体激光系统——“火星观测激光高度计”（MarsObserver LaserAltimeter，MOLA-1）。MOLA-1在400km的火星轨道高度对火星的地形地貌进行了为期二年的探测，获得了火星表面大量的地面物理特征信息，取得了非常成功的测量结果。MOLA-1对火星大气反射物的高度、大气层的三维结构、地表的粗糙度进行了测量与分析，对1064nm激光波长的地表反射率进行了测量，了解了火星地表的构成和季节变化。遗憾的是，该卫星最终以丢失宣告失败。

2、克莱门汀激光高度计（CLA）

1994年1月25日，由美国国防部和美国航空航天局联合研制的月球探测克莱门汀卫星发射升空。卫星搭载有激光高度计（ClementineLaserAltimeter，CLA）、紫外/可见光相机、近红外相机、远红外相机、高分辨率CCD相机以及激光测距、导星相机等多个探测器。CLA采用全固态Nd:YAG激光器,工作波长为532nm和1064nm，工作方式为单脉冲，不同波长能量分别为171mJ/1064nm和9mJ/532nm，脉冲宽度为10ns，脉冲重复频率为1Hz和8Hz。

3、近地小行星交会探测器激光测高仪（NLR）

尼尔（NearEarth AsteroidRendezvous，NEAR）是工作在空间平台上的近地小行星交会探测器。NEAR上装有磁力计激光测高仪多光谱摄像机光谱仪和微波雷达可测量小行星的质量密度形状磁场和引力场并对小行星的表面特性元素组成矿物成分开展深入研究。

NEAR系统中的激光高度计系统（NEARLaser Rangefinder,NLR）主要由五个部分组成，分别是：带光纤延迟的激光发射和激光电源部分、光学接收部分、带探测器件的模拟电路及处理器、数字处理电路和低电压供电电源。

NLR是世界上第一个进入小行星轨道的激光测高仪。在绕小行星轨道飞行的一年时间中，激光测高仪一直持续良好工作。NLR采用Nd:YAG激光器,工作波长为1064nm，工作方式为单脉冲，能量为15.3mJ，脉冲宽度为15ns，脉冲重复频率为1/8Hz、1Hz、2Hz、8Hz。

4、航天飞机激光高度计（SLA）

1996和1997年，NASA进行了两次航天飞机激光高度计（ShuttleLaserAltimeter，SLA）试验。SLA系统的主要任务是观测云层高度、海洋高度、地表植被情况。其中1997年SLA-2系统搭载于发现号宇航飞机进行了为期11天的三百万次的激光探测，共获得59万张陆地表面资料和150万张海洋表面资料，并且观测范围与SLA-1相比扩大到了南北纬57°，具有极大的科学和军事应用价值。SLA采用Nd:YAG激光器,工作波长为1064nm，工作方式为单脉冲，能量为40mJ，脉冲宽度10ns，重复频率10Hz。

两次实验都是在地球低轨道上进行的，获得了地面不同的地质条件、不同植被和海洋状况的大量高精度数据，取得了大量的研究成果，为2003年发射的地球激光测高系统（GLAS）提供了实验的基础数据。

5、火星轨道器激光高度计（MOLA-2）

1996年11月7日，美国发射了“火星全球监测”（MarsGlobal Surveyor，MGS）宇宙飞船，其上同样搭载了一套火星轨道激光高度计（MarsOrbiter LaserAltimeter，MOLA-2），用来测定火星全球地形，提出行星地质和地质物理学上的基本问题。它有助于分析火星全球表面的矿物质分布以及反射率的季节性变化，回答大气循环方面的难题，为将来火星登陆提供测地学和地形学上的评估。MOLA-2采用Nd:YAG激光器，工作波长为1064nm，工作方式为单脉冲，能量为48mJ，脉冲宽度8ns，重复频率10Hz。

MOLA-2调查的主要目的是在某种程度上确定火星球体的地貌，以便恰当的回答星体地质学和地球物理学的基本问题；第二个目的是研究火星对1064nm的表面反射率特征、分析球体表面矿物学分布以及返照率的季节变化、帮助回答大气循环方面的难题、为将来火星探测着陆点的选择提供测地学和地形学上的评估。

6、地球科学激光测高系统（GLAS）

地球科学激光测高系统（GeoscienceLaser Altimeter System，GLAS）是第一台用于连续全球观测的激光测距系统，于2003年随ICESat（IceCloud and Elevation Satellite）卫星升空。

GLAS主要用于了解极地冰盖总量平衡和对海平面变化的贡献，获取预测冰盖总量和海平面变化所需的关键数据。测量云层高度和气溶胶垂直结构，绘制陆地地形，测量陆地表面的粗糙度和反射率、植被高度以及雪盖和冰盖的表面特征。GLAS不仅可以监测到高空卷云，以及薄云，而且垂直分辨率大幅度提高，是微波辐射计的强有力补充。GLAS进行陆地高程测量比较直观，而且不需要进行像对配准，地面处理也较简单，测量精度也高得多。GLAS采用二极管泵浦Nd:YAG调Ｑ激光器，工作波长为1064nm和532nm，工作方式为单脉冲，不同波长能量分别为74mJ/1064nm和36mJ/532nm，脉冲宽度5ns，重复频率40Hz。

7、水星激光高度计（MLA）

水星激光高度计（MercuryLaserAltimeter，MLA）是美国NASA的信使号（MESSENGER）水星探测器主遥感器之一。卫星于2004年8月成功发射。MLA的测量将绘制出详细的水星的表面地形图和北半球形状。MLA设计设计经验主要来自于火星轨道激光高度计（MOLA）和GLAS，但其只有大约后者1/5的大小和重量并且拥有2至4倍的测距能力。MLA采用二极管泵浦、Nd:YAG调Ｑ激光器，工作波长为1064nm，工作方式为单脉冲，能量为20mJ，脉冲宽度6ns，重复频率8Hz。

8、月亮女神激光高度计（LALT）

日本于2007年9月14日成功发射了“月亮女神”（Selenologicaland EngineeringExplorer，SELENE）号绕月探测卫星，踏上登月之旅。LALT是SELENE主轨道器上的激光高度计，用来测量月球表面的地形，绘制高精度地图。它能对卫星到天底方向的月面进行激光测距。LALT能够在极轨上获得沿卫星轨迹的全球距离数据。利用LALT获得的这些距离数据，将可以首次绘制一幅精确的月球全球地形图。

LALT主要有以下3个任务目标：以比美国的“克莱门汀”任务精确得多的精度测量月球全球数据，即获得根本的月球测量参数；绘制精确的月球全球地形图，包括两极地区；通过分析月球重力/地形数据研究月球内部结构。LALT采用Nd：Cr：YAG晶体，LiNbO3主动电光调Q，工作波长为1064nm，工作方式为单脉冲，能量为100mJ，脉冲宽度17ns，重复频率1Hz。

9、月球轨道器激光高度计（LOLA）

美国于2008年进行“环月球巡逻者”（LunarReconnaissanceOrbiter，LRO）计划，对月球表面进行精确测绘，为其重返月球铺平道路。LRO于2009年6月18日成功发射，LRO装备了月球轨道飞行器激光测高仪和工作于单程激光测距的星载激光测距仪等7种探月仪器。月球轨道激光测高系统（LunarOrbiter Laser Altimeter，LOLA）完成对月球表面地貌的精密测绘，以及勾画出月球地质构造史。

LOLA采用二极管泵浦Cr4+：YAG被动调Ｑ的激光器，工作波长为1064nm，脉冲宽度6ns，重复频率28Hz。值得一提的是，LOLA采用了两项新技术，首先，发射机具有两个实际上相同的激光器，其一为工作件，另者是备份件，前者的脉冲能量为2.7mJ，后者的脉冲能量是3.2mJ。其次，采用多脉冲的工作方式，激光器的输出激光由一个衍射光学元件生成５束激光发射到月球表面。

10、月球飞船激光测高系统（LLRI）

2008年10月22日，印度发射了首颗探月卫星Chandrayaan-1（月球飞船１号）。月球飞船１号所载的月球激光测高系统LLRI（LunarLaser RangeInstrument）是一种脉冲激光测距仪，用于对月球表面进行研究性测高，可以昼夜不停地出色完成所预定的研究任务。LLRI月球激光测距仪能够测定“月球飞船１号”探测器距离月球表面的精确高度，测量月球全球地形，获取月球引力场的改进模型，对地形绘制摄像仪和超光谱成像仪的数据进行补充。LLRI采用二极管泵浦调Ｑ的Nd:YAG激光器，工作波长为1064nm，工作方式为单脉冲，能量为20mJ，脉冲宽度10ns，重复频率10Hz。

11、先进地形激光测高系统（ATLAS）

“先进地形激光高度计系统”（AdvancedTerrain Laser AltimeterSystem，ATLAS）是ICESat-2卫星上搭载的唯一有效载荷，其科学目标是测量冰盾地形、海冰干舷、云和大气特性、以及全球植被情况。ATLAS将对冰盾的高斜坡区域和极粗糙区域进行高精度高程观测；估算植被和生态系统结构，特别是通过测量树冠高度估算森林生物量；对全球云和气溶胶进行观测；获取的海冰相关数据能够预测海平面水平，为城市规划提供依据资料。ATLAS激光发射器的重复频率高达10KHz、低能量（单脉冲能量约100uJ）、更短的脉冲宽度（1-2ns量级）。

12、贝皮哥伦布激光高度计（BELA）

贝皮哥伦布激光高度计（BEpicolomboLaserAltimeter，BELA）将搭载在ESABepiColombo Mercury PlanetaryOrbiter（MPO）卫星上。该高度计计划于2018年4月发射，将成为欧洲的第一个行星激光高度计。BELA采用二极管泵浦调Ｑ的Nd:YAG激光器，工作波长为1064nm，工作方式为单脉冲，能量为50mJ，脉冲宽度3ns，重复频率10Hz。

13、“全球成像激光高度计”计划（GILA）

美国正在进行可用于宽幅、全波形成像的天基全球成像激光高度计（GlobalImaging LaserAltimeter，GILA）及相关技术的研制，对全球地表地形和植被结构实施高精度、高分辨率全面的测绘。该遥感器类似于机载激光植被成像仪（LaserVegetation ImagingSystem，LVIS），可对全球实施高精度、高分辨率测绘。该任务目标是对全球地表地形和植被结构进行全面的测绘，包括被浓密植被覆盖的地形。概念设计包括具有极高重复频率（75kHz）的激光器、连续波形数字化系统及高速、高精度激光扫描系统，系统垂直精度小于10cm，水平分辨率将小于10m。

14、“激光雷达地形测量系统”计划（LIST）

“激光雷达地形测量系统”任务的科学目标是以5m空间分辨率、10m垂直精度对全球地形和植被结构进行高精度测绘，获取地表、地质结构的高精度地形数据。LIST卫星上只搭载了1台有效载荷，即激光高度计。该高精度激光高度计只能进行小范围区域测量，还不能对大范围区域进行测量，因此需要通过多次过顶观测才能实现全球覆盖能力。

LIST激光高度计采用多波束激光测量模式，沿卫星地面轨迹搜索地表轮廓信息，实现空间高精度测绘目标。LIST计划在卫星上安装10台二极管泵浦固体激光器，每台激光器所发出的一束激光被分成100束激光束照射到地面，以至少1000束激光，数KHz发射重频，在晴空区域完成5km以上的幅宽 ，实现条带成像，在合理时间（小于3年）内完成全球覆盖。LIST激光高度计的设计要求远远超出了现有的天基激光高度计技术，而在测绘性能和效率方面，多波束激光测量模式比单波束激光测量模式都有所提高和改进。

15、“地表变形、生态结构和冰动力学”计划（DESDynI）

DESDynI（Deformation，EcosystemStructure and Dynamics ofIce）计划是世界上第一个全面、系统研究地表变形、生态系统和冰盖变化的地球科学任务，将为准确预测地震、火山爆发和山崩提供可靠的探测数据。

2007年美国NASA召开了评估DESDynI的讨论会，明确了DESDynI任务的主要任务目标和后续实施计划。该任务的主要科学目标是通过对地表变形、陆地植被结构和冰动力学进行观测，了解自然灾害、气候变化、以及生态系统结构。DESDynI卫星原计划于2010-2013年发射，但该项目由于预算限制，目前仍处于规划与论证阶段，导致卫星延期发射。

DESDynI卫星搭载了2种有效载荷，分别是多波束激光高度计和L频段雷达，DESDynI旨在通过这2种有效载荷协同工作，同时具有激光高度计的高精度和直接探测能力，以及雷达的全球空间覆盖能力，共同提供关于地表变形、生态系统结构以及冰动力学方面的重要数据信息。该多波束激光高度计，主要用于研究生态系统，但也可以用于测量地表变形和冰盖变化。该多波束激光高度计工作在红外波段（约1064nm），空间分辨率约为25m，垂直精度为1m，其能够精确地测量出植被冠层顶到底的高程距离、植被的垂直分布、以及垂直分布内的植被类型分布，还能对冰盖、冰河和地形进行高精度测量。

虽然这种测量方法是获取森林高度和垂直结构的最为直接的方法，但是其只是对地球表面的离散点进行采样，而不是对地表进行成像。原理上来讲，多波束激光高度计和L频段雷达不需要同时进行测量，因为生态系统并不会在短时间内发生实质性的变化。至于这两个仪器是搭载在同一个平台还是分开各自搭载在一个平台上，还有待更进一步的研究和确定。

三、激光高度计技术发展趋势

1、激光高度计系统技术发展趋势

随着技术的不断进步，基于多路激光并行发射和阵列接收的推帚式激光高度计多元阵列探测技术正成为国内外研究热点，是一种颇具优势和潜能的探测技术。该技术不仅可以实现相较于单光束探测更宽的幅宽，缩短地形地貌测绘的时间，还可以获得有关表面坡度和粗糙度的信息，实现高精度、高分辨率的空间高程测绘，十分有利于空间科学研究。NASA于2009年发射的LOLA是第一个多光束无扫描机构的星载系统。2007年美国对地十年观测计划中的“冰、云和陆地高程”卫星-２（ICESat-2）和“地表变形、生态系统结构和动力学”卫星（DESDynI）及“激光雷达地表地形测绘”（LIST）激光高度计均为多光束推帚式探测设计。

图2 激光高度计多元阵列探测原理框图

激光高度计多元阵列探测的工作原理如图2所示，激光发射系统发射的阵列激光经目标反射后由接收光学系统接收进入探测器阵列，由其转换为电信号，经过增益可控（AGC）的放大器输入到采样保持电路中进行峰值采样，采样后的信号，经过多路复用器送入模数转换（A/D）模块进行转换，同时激光发射时的主波信号也被送入A/D模块，最终此模块的输出进入处理和显示模块，从而得到测距结果，结合其他参数，可以得到目标的三维图像。

① 多束激光并行发射技术

激光的多束并行发射可采用激光器阵列或利用分束元件对激光器的输出分束实现。对于要求更多光束以实现更宽幅测绘的雷达系统，可以对多台激光器进行分束，如目前LIST任务中多光束方案的设计。这种激光发射端采用与探测器阵列相匹配的多束激光发射，还可提高激光能量的利用率，增大激光雷达的探测距离。

② 多路信号探测接收技术

多路激光回波并行接收技术就是在激光回波接收系统中采用光学和电子学的方式对多路激光光束回波的并行接收及高速处理。随着探测技术的不断进步，线阵、面阵等阵列探测接收多路信号技术已成为目前的发展方向。

2、激光高度计器件技术发展趋势

① 激光发射器技术

激光发射器技术正从高能量低重频向高重频低能量方向发展，采用更先进的调Q或锁模方式以减小脉冲宽度，采用先进的LD抽运技术提高发射脉冲的发射频率等。具体来说，就是从单波束、高脉冲能量、低重频、窄脉宽、低光电效率、采用MOPA结构的Nd:YAG激光器向多波束（<10）、低脉冲能量、高重频、更窄脉宽的Nd:YAG激光器，最终研制出超多波束（1000）、低脉冲能量、高重频、更窄脉宽、高光电效率的Yb:YAG激光器。

② 探测望远镜技术

卡塞格林望远镜是星载光学有效载荷常用的望远镜结构，其结构紧凑，在一定筒长的情况下，焦距口径比可以比较大。针对星载激光雷达测绘系统，为了尽可能地多获取激光信号，在晚上探测，532nm的视场角将达到5mrad，因此望远镜的焦距不能太大，否则中继光学的零部件口径都比较大。从综合角度出发，应该进一步减小，减少多次散射的影响。望远镜的视场角可以根据白天、晚上自动调整，由星上的计算机控制。

四、我国激光高度计发展建议

目前，国外星载激光高度计技术发展已较为成熟，积累了丰富的研制经验和技术能力。特别是美国已经在星载激光高度计技术领域处于领先地位。我国在天基激光遥感技术领域才刚刚起步，还处于初级阶段。在激光高度计理论研究、硬件设备和关键技术攻关与突破方面，与国际水平还存在一定差距，因此，建议我国对国外的研究成果和经验教训进行深入研究，以对我国开展星载激光高度计技术研究提供参考和情报支撑。

1、采取适合我国激光高度计技术发展的方式开展研究

各国根据自身的技术基础和应用需求，选取不同切入点开展天基激光雷达遥感技术研究，并逐渐向其他领域扩展。例如美国采取“由易到难、逐级攻关、综合发展”的发展方式，由云和气溶胶探测，到极地冰盖探测，再逐步延伸到全球风场、二氧化碳观测和陆地观测等领域。欧洲采取“并行规划、集中攻关”的发展方式，主要注重于大气环境探测领域，在云和气溶胶探测、全球风场探测和二氧化碳观测方面都制定了天基激光遥感技术发展计划。因此，我国也应充分结合实际国情，根据自身的技术基础和应用需求，采取适合我国激光高度计技术发展的方式开展研究。

2、注重开展理论研究，加强激光高度计各分技术研究

激光高度计系统由几大分系统组成，每个分系统的性能都直接影响着激光高度计系统的探测性能。2012年9月，美国国防高级研究计划局（DARPA）提出，将开发高灵敏度的探测器阵列技术和高效能、高功率激光器技术。我国在光电测量电路（读出集成电路（ROIC））方面发展较为成熟，而在接收端的阵列光电探测器件方面尚不成熟。因此，我国的激光高度计研究工作应根据本国的发展需求，开展激光高度计理论研究，并按计划开展各项分技术研究，包括窄脉宽高能量激光器技术、高灵敏度的探测器技术、大口径轻量化光学系统设计、焦平面阵列探测器技术等。

3、开展关键技术预研，加强相关各部门间合作

我国在理论研究和技术基础达到一定程度后，应根据国情、抓住发展机遇，适时开展关键技术预研工作。星载激光高度计技术难度大，但除激光发射器外，其他各分系统可以借鉴星载光学遥感器的技术成果，我国的星载光学遥感器研制已经有三十多年的历史，无论从遥感器总体设计、加工、测试、系统实验和在轨运行方面均积累了丰富的经验。因此，建议我国应该加强平台研制部门、有效载荷研制部门和其他相关部门间的合作，共同开展激光高度计技术研究，加快研制周期，减少研制投入，并少走弯路。

4、适时制定星载激光高度计演示验证计划

我国应适时制定星载激光高度计演示验证计划，对前期星载激光高度计技术预研成果进行验证，在星载激光高度计研制过程中，应充分借鉴国外的开发经验和教训，广泛汲取已有的地基和机载经验教训和关键技术成果，利用机载平台对星载激光高度计关键技术进行试验和验证，提高星载激光高度计技术的技术成熟度，降低未来星载项目的风险。

5、适度开展激光高度计技术领域国际合作

国际合作是国外普遍采用的、迅速提升本国技术水平的有效手段。因此，建议我国在提高星载激光高度计技术水平的基础上，还应考虑通过国际合作的方式，优势互补，整合技术优势，促进激光高度计技术迅速提升，提高我国激光高度计技术的整体研制水平和能力。

6、建议围绕激光高度计下列方面开展研究

建议开展基于小卫星平台的激光高度计可行性及应用价值系统研究，对未来可能的任务方向进行深入论证和规划。

建议开展谐振泵浦单频激光器的研究工作，并采用主动稳频技术实现激光器的长期频率稳定，同时开展激光相位补偿和控制技术研究。

建议开展大气湍流对激光相位、线宽、频率、偏振等参数的影响程度的研究工作。因为目前，业界对此方面研究结果还相对较少，而它又是影响激光高度计测高精度以及成像精度的关键因素。

建议开展激光高度计系统级全面综合仿真研究。激光测高精度与诸多因素有关，除激光高度计本身的测量精度之外、其他还包括卫星中心轨道定位精度、卫星姿态精度、大气传播延时影响、大气多次散射影响、大气湍流影响、地形和地物特征等有关。因此为了给激光高度计设计研制提供尽量准确可靠的参考依据，需要进行系统级全面综合仿真研究。

五、结语

经过几十年的发展，激光已经逐渐成为空间技术领域中用来解决各种工程及科学问题的重要工具。特别是近10年来，随着激光、光电子技术的飞速发展，特别是高功率、高亮度、高效率激光二极管的出现，使固体激光技术取得了重大突破，采用激光二极管泵浦的全固态激光器具有寿命长、体积小、功耗低、质量轻等特点，可以满足星载固体激光器的要求，能够适应空间环境的应用。

学习和借鉴他人经验是提高自身的有效途径，是推动创新研发的高起点平台。星载激光测高技术已具有20年的发展历史，其技术已相当成熟，但随着激光技术的发展和应用需求的拓展，激光测高技术仍有很大的发展空间，激光系统向高重频，窄脉宽，多光束的非扫描扫帚式发展，同时单光子探测技术的发展也使微脉冲测距成为可能。展望未来，随着技术的不断发展进步，各项技术难题必将全被攻破，星载激光高度计将有良好的发展应用前景。

作者简介

王晓海（1978-），男，工程师/硕士研究生，空间电子信息技术研究院空间微波技术重点实验室。主要从事卫星有效载荷相关科技情报研究工作。

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编辑：杨艳、朝晖、林紫、娜娜

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