导读
Part 1
研究背景
云是天气预报中关键影响要素，它的产生、发展和运动直接影响着天气变化，特别是冰雹、爮线、台风、龙卷、暴雨等灾害天气。深刻理解云与气溶胶相互转化过程，量化云对天气和地球环境影响，同时将云顶高，云微物理性质参数进入数值天气预报模式并产生影响是个重要问题；解决该问题首先要获取全球云微物理参数。另一方面云与气溶胶的相互转化机理也是大气物理学中的重要研究内容。针对云的探测需求，国际气象组织和中国气象局都给出了云顶高、云相态、气溶胶光学性质等微物理性质的具体探测需求。
针对小粒径云微物理性质的探测需求，激光雷达是目前具备廓线探测能力的有效手段之一。
近些年来，为了探测大气气溶胶参数，美国2006年发射了CALIPSO能量探测体制的激光雷达载荷证明了探测有效性和工作寿命；中国2022年发射了高光谱探测体制的激光雷达，证明了其探测精度。在这些背景下，我们针对云的探测进行了设计包含增大波长范围，优化探测波长，增加探测波束和探测体制，形成一定幅宽，本文给出了系统参数探测模式并通过仿真模拟给出探测误差；同时本文还给出了信噪比和散射系数的测量误差上限的关系公式。
Part 2
星载新一代多波束测云激光雷达设计与仿真
本文提出了一种星载新一代多波长多波束多功能测云激光雷达载荷方案（M3CL）。该方案采用3种体制4波长9波束的推扫方式形成地面9波束20km测量幅宽。四个波长为355 nm、532 nm、1064 nm和1625 nm；9波束分布分别为：核心波束（波束⑤）采用355 nm、532 nm、1064 nm、1625 nm四波长探测，其中355 nm、532 nm为高光谱和偏振探测，1064 nm、1625 nm采用回波能量探测体制。边缘波束为532 nm回波能量探测。每个波束间隔3.05 mrad（0.175°），波束排布为穿轨方向，总张角24.5 mrad（1.4°），对应820 km轨道的20 km幅宽。核心波束的高光谱探测数据为边缘波束提供15 km海拔以上无云区的激光雷达比，这样间接达到了9波束的高光谱探测效果。偏振探测用于探测云和气溶胶的退偏特性，辨别云相态。核心波束和边缘8波束共同形成4波长9波束气溶胶粒径谱半定量测量。
图1 多波束测云激光雷达探测方案
在OAPC参数数据库中选取弱散射消光条件下的积云，得到探测信噪比如图2、3所示。
高光谱探测信噪比
高光谱探测信噪比
图2 1km厚度弱散射云条件高光谱探测云信噪比分布355 nm（a）和532 nm（b）
图3 三波长弱散射云探测信噪比分布（3 km厚度弱散射云条件）
强散射/消光条件下的积云探测信噪比如下图4、5所示。
图4 云厚2 km浓云条件高光谱探测信噪比分布355 nm（a）和532 nm（b）
图5 浓云条件三波长测量信噪比分布（云高 5km，云厚 2km）
同时本文依据高光谱激光雷达方程将粒子散射系数误差缩放形成散射系数误差限公式：
根据误差限公式仿真如下图6所示。
图6 散射系数误差上限全图（a） 和局部细节（b）
从图6看到，云及边界层内气溶胶的散射系数是分子散射系数的10倍以上（）时，当探测信噪比为5、10、20时，探测误差分别不超过63.3%，31.2%和17.6%。本文设计的星载测云激光雷达系统对云及边界层内气溶胶散射系数探测误差≯20%，积云穿透深度300 m到几公里不等，具备小尺度云粒子和气溶胶微物理性质探测能力。这也与我国气象卫星云的探测需求契合。
Part 3
后续工作展望
我们前期在国际首颗高光谱激光雷达（DQ-1）上验证了532 nm高光谱探测技术及其测量精度、今后我们将继续优化多波长多波束多功能测云激光雷达方案、攻克相关关键技术，争取为气象用户提供优异的测云激光雷达方案和载荷。
作者简介
陈卫标，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员，主要从事空间激光器，激光雷达技术的研究工作。中国光学工程学会会士、常务理事、中国光学学会环境光学委员会副主任委员，Advanced Photonics Nexus 杂志主编，卫星型号副总师。现任中国科学院上海光机所书记。先后主持国家863计划、基金委重大项目、特种通信工程任务、大气探测激光雷达载荷工程任务等；研制了国内首台空间固体/光纤激光器、国际首台星载高光谱/差分吸收激光雷达，产品在深空探测、对地探测与通信领域得到深度应用。发表期刊论文220篇，发明专利40余项，专著2部。以第一完成人获得国家技术发明二等奖、上海市技术发明一等奖，省部级科技进步一等奖3次等多个奖项；2次获中科院杰出成就奖，中科院十大杰出青年，2023年获第三届全国创新争先奖。
毕德仓，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员，2005年以来一直从事大气海洋激光遥感技术研究。先后主持了大气海洋多波长激光雷达、激光测风雷达等项目攻关,攻克了双通道光学鉴频器技术和块状种子激光放大/稳频技术，研制了直探激光测风雷达，机载激光测风雷达样机，实现了小型化；研制的真空热光定标器用于DQ-1/-2定标实验保证定标测试精度。发表文章、核心专利十数项。
END
扫描
微信矩阵
了解更多精彩
中国激光杂志社
爱光学
光电汇
