大气气溶胶主被动遥感探测应用技术进展

刘思含　周春艳　毛学军　高彥华　吴艳婷　杨一鹏　赵少华　姚延娟

(环境保护部卫星环境应用中心/国家环境保护卫星遥感重点实验室)



大气气溶胶主被动遥感探测应用技术进展

刘思含周春艳毛学军高彥华吴艳婷杨一鹏赵少华姚延娟

(环境保护部卫星环境应用中心/国家环境保护卫星遥感重点实验室)

【摘要】大气气溶胶广泛影响着地球的气候与环境，尤其是日益严重的颗粒物污染已对公众健康和生态安全构成了巨大的威胁。面对我国空气重污染的现状，大气污染治理急需对气溶胶及其光学特性进行大范围、高频次、高精度、立体的遥感监测和定量分析。目前，气溶胶遥感监测有多波段、多角度、偏振等被动探测方法，也有激光雷达结合高光谱、偏振的主动探测方法。本文在分析国内外大气激光雷达卫星载荷的基础上，分析了目前基于主动、被动遥感探测手段的气溶胶遥感监测应用研究进展，研究发现激光主动探测在大气环境定量监测中的作用更加突出，主被动结合、多手段综合是大气环境监测卫星的发展方向。

【关键词】气溶胶；大气遥感监测；激光雷达

1引言

大气气溶胶广泛影响着地球的气候与环境，尤其是日益严重的颗粒物污染已对公众健康和生态安全构成了巨大的威胁。常规的地面监测由于监测站点数量有限和分布不均，难以准确获取污染物的空间分布和传输路径，因此需要遥感手段提供重要的补充信息。卫星观测可以提供大范围的大气气溶胶监测结果，甚至对特定地区进行扫描，具有广泛的应用价值[5]。目前卫星遥感进行大气环境监测主要以被动观测为主，被动观测具有覆盖范围大、时间分辨率高等优点，但不能提供大气垂直廓线信息，且探测精度有限。激光雷达是一种主动式现代光学遥感设备，它以激光为光源，通过探测激光与目标物相互作用而产生的辐射信号来遥感目标物。激光雷达工作频率较微波高，具有高分辨率、高亮度性、高单色性、高相干性和高方向性等特点，已经成为目前对大气、海洋和陆地进行高精度遥感探测的有效手段[1]。其中，大气激光探测雷达在环境监测、气象学研究等方面具有明显的优势和广阔的应用前景[3]。激光雷达监测环境大气的工作原理是通过激光器发射激光脉冲，与大气中的气溶胶及各种成分作用后产 生后向散射信号，系统中的探测器接收回波信号，并对其进行处理分析，从而得到所需的大气物理要素[2]。大气激光雷达通过主动向地球大气层发射激光，接收大气层中颗粒物、气溶胶、云层、大气分子的后向散射回波信号，能够以高垂直分辨能力精确测量大气气溶胶和云的光学特性参数剖面，获得气溶胶散射系数廓线、消光系数廓线、光学厚度、边界层高度、云顶高度和云的垂直分布，以及全球CO2柱总量等重要的大气环境参数，能够弥补被动观测的不足。

本文在分析国内外大气激光雷达卫星载荷的基础上，分析了目前气溶胶遥感监测应用研究进展，论述了大气激光雷达在我国大气环境监测领域应用的前景。

2国外气溶胶探测发展现状

2.1国外大气探测相关卫星发展现状

从上世纪八十年代开始，美国NASA组织并实施了一系列环境监测卫星系统建设计划。1983年，NASA制定了EOS计划，1991年NASA发起ESE(EarthScienceEnterprise)计划，衔接和包含了EOS计划[4-5]。ICESat是美国EOS计划中的一颗双波长激光雷达卫星，获取了大量冰层高度和气溶胶探测数据[6]。A-Train是由NASA主导的多国合作联合对地环境观测计划，由在轨的Aura、Aqua、PARASOL(脱轨)、CALIPSO、Cloudsat、OCO-2 、GCOM-W1等多颗卫星构成。这些卫星均由NASA的地面设备进行控制，可在23分钟时间内对同一区域进行连续观测，获取陆表、气溶胶、云、痕量气体、温室气体等数据。其中，Aura是美国EOS计划中的一颗用于大气化学成分探测的卫星，携带了可对全球SO2、NO2、O3进行探测的OMI及其他红外临边、太赫兹等大气成分探测仪器；Aqua是美国EOS计划中针对全球水环境进行探测的卫星，携带了MODIS等仪器；PARASOL是法国一颗专用于大气云和气溶胶多角度偏振成像的卫星；CALIPSO是一颗通过激光雷达主动探测手段对云和气溶胶进行探测的卫星；Cloudsat是一颗携带了测云雷达的专用测云卫星。这些卫星在同一轨道依次飞过同一目标，有利于卫星之间的数据融合反演，在国际大气环境反演领域具有较高的地位[7-10]。

EOEP计划是欧空局(ESA)地球环境观测战略的骨干部分，从2000年开始至今，主要包括ENVISAT、METOP系列、EarthExplorers计划、GMES(全球环境与健康管理计划)等[11]。在成功运行的十余年间，EOEP在地球环境观测方面给出了大量持续、科学的观测数据。EarthExplorer计划包括了GOCE、SMOS、CryoSat2等科学探测卫星，还包括了激光测风雷达卫星ADM-Aeolus(计划2016年发射)和EarthCARE(计划2018年发射)两颗激光雷达卫星[12-14]。GMES涉及的领域包括大气环境变化、陆地、海洋、紧急情况响应等[15-16]，主要包括五型哨兵系列卫星，涵盖多光谱、高光谱、红外探测、偏振成像等技术体制。其中哨兵四号、五号先驱和五号均为大气环境专用卫星，分别携带了UVN、TROPOMI、3MI等大气高光谱/偏振探测仪器。

2.2国外气溶胶探测发展现状

气溶胶遥感探测与反演有三个核心难点，包括大气散射模型的建立、地表背景辐射的扣除和气溶胶参数反演。其中，地表背景扣除和气溶胶微物理参数反演较强的依赖于多光谱、多角度和偏振信息的完整性。尽可能获取完整的大气散射光信息，对于气溶胶微物理特征的探测极为关键。气溶胶被动探测主要采用多光谱手段、偏振+多角度探测手段，主动方式可采用激光雷达。

2.2.1多光谱手段气溶胶遥感探测

多光谱手段是最早的气溶胶遥感反演手段，属于标量探测手段。其基本探测机理是在成像区域寻找暗像元以获取暗像元上空多光谱(0.47～2.12μm)的大气程辐射，进而反演得到大气气溶胶光学厚度以及气溶胶微物理特性。其优点为覆盖率较好，缺点为在亮地表区域不具备气溶胶探测能力，由于没有多角度和偏振信息，其气溶胶微物理模型的建立也相应较为简单，反演精度偏低。

美国TERRA及AQUA卫星上的中分辨率光谱成像仪MODIS(MODerateresolutionImagingSpectro-radiometer)是标量气溶胶探测的典型载荷，是目前应用最广泛，算法最成熟的气溶胶反演仪器。其气溶胶光学厚度产品可作为遥感反演时的重要输入[17-18]。日本GOSAT卫星配备了一个四波段相机(TANSO-CAI)作为大气同步校正的气溶胶参数探测仪器。但其早期气溶胶反演精度不足。后期通过改进算法，利用380nm波段与其他卫星的(400nm，412nm)的探测数据联合估计气溶胶折射率虚部的特性，提升了气溶胶参数的反演精度。日本新一代静止气象卫星Himawari具备3个可见光通道和13个近红外及红外通道，可见光的空间分辨率500m，全圆盘时间分辨率10min。具备了气溶胶监测的能力。

此外，也有学者在多光谱探测基础上加入多角度信息，提高气溶胶反演的精度。VanDonkelaar等通过把MODIS/MISR观测数据中获得的气溶胶光学厚度数据与全球化学传输模型GEOS-Chem相结合，制作出全球平均气溶胶光学厚度AOD分布图，并基于全球化学传输模型得到全球PM2.5年均浓度分布图[19]。

2.2.2偏振+多角度手段气溶胶遥感探测

多角度偏振技术是国际公认的气溶胶观测有效技术方案。法国和美国采取了两种完全不同的技术路线，两种路线在指标的满足能力上有不同的侧重性取向。

法国研制的偏振有效载荷POLDER主要用于探测大气云、气溶胶、陆地表面和海洋状况。此后，法国研制PARASOL卫星偏振有效载荷，将POLDER中的443nm波段更改为490nm波段，以降低分子散射的影响，PARASOL通过大视场镜头加面阵CCD实现成像及多角度观测。光学系统中偏振片和滤光片安装在探测器与最后透镜之间的旋转轮上，实现分光以及偏振解析，通过光楔进行运动补偿。PARASOL的有效载荷主要技术指标如下表所示[20-21]。目前该卫星已经失效。

表1　PARASOL的有效载荷主要技术指标

下一代星载气溶胶偏振测量仪器(APS)是美国基于地球观测扫描偏振计(EOSP)最新研制的偏振测量载荷[22]。APS采用沿轨扫描方式工作，获取大气多角度偏振信息，工作波段从可见近红外延伸至短波红外。APS采用渥拉斯顿棱镜进行检偏并进行在轨偏振定标，偏振测量精度可达0.2%，是偏振测量精度最高的星载遥感仪器。APS曾作为NPOESS的备选载荷，后装载于Glory卫星，由于运载火箭的原因发射失败。下表给出APS的主要技术指标。

MSPI是美国下一代激光雷达卫星ACE上的主载荷之一，是MISR的升级载荷，由多个相机组成，具有更宽的光谱范围、偏振测量和更宽的视场。MSPI协同采用了多种技术手段减少气溶胶反演的不确定性。利用多角度手段完成气溶胶粒子尺寸，形状，对高亮区域(高反射率区域如沙漠、城市)的反演；利用多光谱手段反演粒子尺寸(可见至短波红外)，吸收指数及标高(近紫外谱段)，其标称谱段为：380、412、446、558、650、865、1375、1610、2130nm；利用偏振测量手段获得粒子尺寸相关折射率和粒子尺寸分布宽度，其标称谱段为650nm和1610nm。提高偏振测量精度对于提高气溶胶探测精度有积极意义，MSPI计划把偏振测量精度从POLDER的2%提高到与APS同量级的0.5%，这对于宽视场成像仪是一个挑战[23]。

表2　APS主要技术指标

2.2.3激光雷达手段气溶胶探测

从1994年美国航天飞机载空间激光雷达(LITE)首次测量全球范围气溶胶和云的垂直分布，美国先后发射了多个星载激光雷达有效载荷开展大范围气溶胶和云的垂直分布测量工作，获得了大量的数据。其中最有代表性的为美国2003年发射的GLAS星载激光雷达和2006年发射的CALIPSO星载大气探测激光雷达。

GLAS激光雷达系统是为了NASA测量海冰而设计的主动传感器，由10cm精度的表面激光测高仪和测量云和气溶胶的双波长后向散射激光雷达组成，在2003年1月发射升空，为532nm/1064nm双波长非偏振探测激光雷达，由于该激光雷达激光器性能下降很快并逐渐失效，只是间断性的工作。GLAS主要测量两极地区的冰层，建立高精度的陆地数字高程，全球尺度的云和气溶胶的垂直剖面。GLAS的轨道高度为590～630km，倾角为94度。

CALIPSO为双波长偏振敏感的激光雷达，2006年4月发射升空，主要获得全球气溶胶和云高分辨的垂直剖面，观测大气气溶胶、云的光学特性，了解它们在调节地球天气、气候和空气质量中的作用。采用了全固态的Nd：YAG激光器，发射波长为1064nm及其倍频的532nm，使用了三个接收器通道，其中一个测量1064nm激光后向散射强度，另两个通道测量532nm激光后向散射信号的正交偏振分量。垂直偏振通道给出了卷云冰晶粒子、以及沙尘气溶胶等退偏振比的信息。1064nm通道的探测信号也能较为清晰地区分云层和大气气溶胶层[24-25]。目前CALIPSO星载激光雷达在轨运行8年多，单台激光器工作性能完全能够满足5年要求，同时证明了星载激光有效载荷能够满足空间长寿命工作要求，为业务化运作奠定了基础。图1为激光雷达各探测通道获取不同地方的气溶胶和云垂直分布信息。图2为2014年4月12日CALIPSO激光雷达获得的经过北京及华北地区的气溶胶垂直分布，此时北京正值雾霾天，气溶胶信号明显增强。

图1　CALIPSO激光雷达测量不同波长衰减后向散射信号

图2　CALIPSO激光雷达获得的经过中国华北上空的气溶胶垂直分布

CATS空间激光雷达是美国NASA在2012年提出计划安装在国际空间站ISS上的多波长散射型气溶胶和云测量激光雷达，在532nm波段具有HRSL(高光谱分辨激光雷达)测量能力。CATS的主要目标是在CALIPSO激光雷达失效后，能够继续CALIPSO星载激光雷达的气溶胶和云剖面测量数据，填补EarthCARE发射前的空挡。而且ISS近实时数据能力使得CATS能够应用于空气质量以及特殊大气环境变化事件(沙尘暴、火山爆发等)的监测[26]。HRSL通道能够进行技术验证，同时直接获得气溶胶消光系数。CATS激光雷达计划装两台激光器，激光器1工作两波长532nm和1064nm，重复频率5kHz，单脉冲能量2mJ；激光器2工作三波长355nm、532nm和1064nm，重复频率4kHz，单脉冲能量2mJ，单频工作。激光雷达质量500kg，功耗1000W，数传2Mb/s。

3国内气溶胶探测发展现状

3.1国内大气探测相关卫星发展情况

在目前国内民用航天领域中，已发射的对地遥感卫星系列包括风云卫星、资源卫星、海洋卫星及环境减灾小卫星星座等。携带多光谱成像仪的对地遥感卫星系列包括资源卫星，风云卫星、海洋卫星、环境一号及高分专项中在研的高分五号卫星等。目前在轨运行的民用卫星使我国具备了一定的大气环境监测能力，为我国的环境保护工作提供了一定的支撑。但由于缺乏多角度、偏振、主动激光等探测手段，高精度定量化大气环境监测能力有限。

3.2国内气溶胶遥感探测发展现状

国内对星载气溶胶探测有一定的研究基础。气溶胶被动探测主要采用多光谱手段、偏振+多角度探测手段，主动方式可采用激光雷达。

3.2.1多光谱手段气溶胶遥感探测

我国已发展的环境一号、风云三号、风云四号、资源一号、海洋一号等卫星均具备多光谱观测手段。其中，环境一号为典型的多光谱环境遥感卫星，专门用于我国环境和灾害监测，由两颗光学卫星(包括HJ-1A、HJ-1B)及一颗雷达卫星(HJ-1C)组成，环境一号卫星主要针对陆表环境、水环境和生态环境监测，大气环境污染的监测能力有限[27-28]。风云三号气象卫星搭载11类载荷，通过多种方式观测紫外至微波波段的地气系统出射辐射，采用中分辨率光谱成像仪MERSI可见光—短波红外波段观测实现海、陆气溶胶光学厚度和粒子尺度观测；TOU获取紫外吸收性气溶胶指数参数来提供气溶胶分类信息；采用MERSI和VIRR可见光—热红外波段观测获取沙尘气溶胶定量信息。风云四号是我国新一代静止气象卫星，其搭载的多通道的扫描辐射计涵盖了从可见光到红外的14个波段，可见光由原来的单波段增加到2个通道，补充了短波红外通道，具备了气溶胶探测能力，其高时间分辨率的特点有效的弥补了极轨星时间分辨率较低的弱点，为气溶胶特性的日变化研究提供了有力的支撑[29]。

3.2.2偏振+多角度手段气溶胶遥感探测

在研高分五号卫星是我国第一颗高光谱综合观测卫星，其探测谱段涵盖了从紫外到长波红外的光学波段，具有高光谱分辨率、高精度、高灵敏度的观测能力，其偏振+多角度手段可对大气气溶胶和云进行探测，卫星搭载其它载荷可以监测污染气体(NO2、SO2、O3)、温室气体等，能够实现对大气环境及污染物的综合探测。

3.2.3激光雷达手段气溶胶探测

激光雷达从探测原理上主要分为测高测距、后向散射、差分吸收、多普勒测风等几种。对于大气环境监测常用到的云和气溶胶探测激光雷达采用后向散射体制，地基激光雷达已日趋成熟，但目前星载应用还处于预研阶段。我国在地基、机载激光雷达和气溶胶激光雷达数据反演方面已经开展了大量研究，目前，中科院上海光机所、安徽光机所、中电27所、航天科技集团九院七〇四所、北京理工大学、青岛海洋大学、哈尔滨工业大学等科研院所均开展了地面激光雷达的研究和研制工作。中科院上海光机所针对空间激光载荷及其应用，在“十一五”期间开展了气溶胶、云和大气风场测量激光雷达数据反演方法研究、以及长寿命大功率空间激光器研究[30-37]。

4结论与展望

基于以上对国内外大气环境监测相关卫星和技术手段现状的分析，总结出大气环境监测卫星的发展趋势如下。

(1)卫星遥感技术在大气环境监测中的地位日益提升。由于卫星遥感手段具有监测范围大、高时效性等优点，欧美等国在卫星大气环境监测领域投入和发射卫星数量均逐渐增加。

(2)激光主动探测在大气环境定量监测中的作用更加突出。传统被动光学遥感具有覆盖范围大、时间分辨率高等优点，但不能提供大气垂直廓线信息，且探测精度有限。而激光主动探测则能弥补其缺点，直接获取廓线信息，探测精度也有较大提升。从欧美等国大气环境监测卫星的发展历程和未来规划来看，激光遥感卫星也越来越多。

(3)主被动结合、多手段综合是大气环境监测卫星的发展方向。从国际上大气环境卫星遥感技术的发展历程也可以看出，从早期的多光谱技术，发展到多角度观测技术，再到偏振探测技术和主动激光探测技术，探测精度不断提高。目前，采用主被动结合，多光谱、多角度、偏振、激光等多手段综合探测气溶胶是国际上主流发展方向。

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作者简介：刘思含，高级工程师，博士，研究方向为环境遥感监测与应用

通讯作者：吴艳婷，工程师，硕士，研究方向为环境遥感监测与应用

中图分类号：X51

文献标识码：A

文章编号：1673-288X(2016)04-0131-05

Advances in the Application of Active and Passive RemoteSensingMonitoringofAtmosphericAerosol

LIU SihanZHOU ChunyanMAO XuejunGAO YanhuaWU YantingYANYipengZHAOShaohuaYAOYanjuan

(Satellite Environment Center，Ministry of Environmental Protection/State EnvironmentalProtectionKeyLabofSatelliteRemoteSensing，Beijing100094，China)

Abstract：Atmospheric aerosols affect the earth's climate and environment significantly.In particular，the increasingly serious particulate pollution has posed a huge threat to public health and ecological safety. Facing the present situation of heavy air pollution in our country，atmospheric pollution control is in urgent need of large scale，high frequency，high accuracy，high accuracy and quantitative analysis of aerosol and its optical properties. At present，remote sensing monitoring of aerosol has passive method making use of multi band，multi angle and polarization detection，also has active detecting method of combining high spectrum and polarization of laser radar. On the basis of analyzing the domestic and foreign atmospheric laser radar，the research progress of aerosol remote sensing monitoring based on the active and passive remote sensing detection is analyzed. Results shows that the role of laser active detection in the atmospheric environment monitoring is more and more prominent，combing application of active and passive detection method will be the development direction of atmospheric environmental monitoring.

Keywords：aerosol；atmospheric remote sensing monitoring；laser radar

项目资助：国家自然科学基金面上项目(41271349)

引用文献格式：刘思含等.大气气溶胶主被动遥感探测应用技术进展[J].环境与可持续发展，2016，41(4)：131-135.