激光雷達主動三維成像系統?如今，在離地球500公裡外的衛星軌道上，一顆“碳星”的使命剛剛開始放在以前，傳統的碳彙測量要依靠人工對森林植被進行抽樣監測，而此次碳星因攜帶了一種多波束的激光雷達，可以讓森林碳彙監測變得更加智能和精準，下面我們就來說一說關于激光雷達主動三維成像系統?我們一起去了解并探讨一下這個問題吧!

激光雷達主動三維成像系統

如今，在離地球500公裡外的衛星軌道上，一顆“碳星”的使命剛剛開始。放在以前，傳統的碳彙測量要依靠人工對森林植被進行抽樣監測，而此次碳星因攜帶了一種多波束的激光雷達，可以讓森林碳彙監測變得更加智能和精準。

作為我國首顆主被動聯合觀測的遙感衛星，它的主要任務是進行森林碳彙監測。近日，主載荷多波束激光雷達正式“開機”。分析回傳反饋的數據，該激光雷達的研制團隊表示：在軌運行正常，數據發揮了作用。我國碳彙監測正式進入了天基遙感時代。

多波束激光雷達測試現場。中國航天科技集團九院704所供圖

星載壽命是歐美國家的兩倍

多波束激光雷達的研制曆經了十年。來自中國航天科技集團九院704所、負責研制此次多波束激光雷達的趙一鳴說：“我們有個博士，剛招進所裡就開始幹這件事，從20多歲幹到了30多歲。”

在她看來，用十年時間去雕琢一件事，沒有熱情和責任是很難堅持下來的。在科研道路上，沒有人能完全保證，一件産品能如期順利地“誕生”。

這十年間，她順利生下了兩個孩子。有時候，同事們在私底下會偶爾說起：“趙總這十年裡生了三個孩子。”同事嘴中所說的另一個“孩子”，指的是多波束激光雷達。趙一鳴把這個“孩子”稱為老大，因為老大“上天了”，已經成才了。

2022年8月4日，在太原衛星發射中心，随着長征四号乙運載火箭的成功發射，配置了多波束激光雷達、多角度多光譜相機、超光譜探測儀、多角度偏振成像儀4種載荷的陸地生态系統碳監測衛星也順利入駐太空。

從功能上看，這顆“碳星”的多波束激光雷達彌補了傳統被動遙感器在垂直剖面觀測上的空白，發揮了更精确地掌握氣溶膠——“碳排放”的大氣重要載體的作用。

氣溶膠子系統鑒定件樣機外場試驗現場。中國航天科技集團九院704所供圖

“載荷中的兩個激光雷達，一個是探測大氣的，主要針對雲層和氣溶膠，這種探測能獲取二者的分布情況和種類信息；另一個是探測植被的，可以探測到全球植被冠層的高度，通過冠層高度也能分析出植被體積和分布量。”趙一鳴解釋道。

因多波束激光雷達針對“陸地碳”和“大氣碳”兩個重要方向，能對植被和大氣進行主動高精度探測，航天人認為，這一利器必将為我國“雙碳”戰略提供重要技術支撐。

目前而言，在太空運行的星載産品的可維修性幾乎為零。對研制人員來說，延長多波束激光雷達的星載壽命成了一項挑戰不小的難題。項目團隊成員潘超告訴新京報記者，在星載長壽命的設計上，歐美國家一般是3至5年，但此次他們提出，要把多波束激光雷達的星載壽命延長到8年，即相當于歐美國家的兩倍。

“好比一個電燈泡，用久了肯定就會有些問題。所以我們盡可能去延長星載産品的在軌運行時間，以獲取更豐富的數據。”潘超說，激光雷達大緻由光源發射系統、大口徑的接收系統、能進行探測的信息處理系統三個部分組成，在一套複雜的光學系統面前，每個部件都需要精心設計。周全考慮，減少失誤，是為了最大程度讓産品呈現出最佳狀态。

據介紹，多波束激光雷達創新實現了主被動共口徑觀測以及植被大氣協同探測技術，并在國際上首次攻克高分辨率對地成像，5波束高精度植被探測和1064nm、532nm偏振多通道大氣探測三個主被動載荷共口徑複合探測難題。

簡單來說，一個載荷可同時實現對植被高程測量、大氣垂直廓線探測和對地高分辨成像的功能。

保證測試一緻性，研制隊員基本不喝水

項目團隊的隊員會覺得這十年過得飛快。他們在密封的工作環境裡，似乎都沒了時間概念。趙一鳴所在單位的實驗室，是他們研制多波束激光雷達的地方。實驗忌諱雜光，實驗室的牆壁上是黑色的遮光布，穿上潔淨服後，這些人便一頭紮進光學儀器和電腦設備前。

那個從20多歲熬到30多歲的博士叫李靜。她在實驗室調試時，需要用上一個感光片，目的是把不可見光轉換成可見光，為了精準看見光，她得關上實驗室内的燈。

人員進進出出也會影響激光實驗要求的超淨環境。通常情況下，要完成一次實驗的既定工作量，研制人員要控制進食。儀器設備啟動後，人就要在跟前。一般人離開了就需要給設備斷電，所以為了節省時間，為了保證測試的一緻性，在實驗過程中，他們基本不喝水。因為要避免上廁所，要省下換脫衣服花的時間。

多波束激光雷達分系統總裝測試現場。中國航天科技集團九院704所供圖

在同事眼中，李靜很有韌勁。她在接受新京報記者采訪時也表示：“隻要這個事情是交給我做，不管用什麼方法，我肯定要把它解決好。自己做的激光器能用在航天上，心裡很有成就感。”

趙一鳴是航天九院704所招進來的首個國家公派留學博士,此後李靜也加入進來。十多年前，國内激光器的研制水平與國外還有一定差距，像李靜這樣做激光器的學生也很少，彼時即将從德國亞琛工業大學學習結束的李靜，在一場招聘會上，見到了時任704所所長的李豔華。一番深刻交流後，李靜決定“迎難而上”，回國留在704所。

早年間，我國地面激光雷達的應用還比較少，星載的激光雷達應用亟須開發。“對于星載的激光雷達能在天上發揮多大作用，實現多大的效能，沒有人能說得太清楚。”趙一鳴稱，既要面向應用，又要實現技術的先進性，這讓多波束激光雷達的立項在一開始就備受質疑。

有了大量地面激光雷達驗證的豐富數據和經驗，2014年，我國針對探測大氣的首例多波長激光雷達挂飛綜合試驗順利完成，兩年後，針對探測植被的大光斑激光雷達機載系統挂飛綜合試驗也順利完成。此外，研制人員還對一些工程上的關鍵技術進行了攻關，驗證了主動載荷從天上往地下看的技術和原理的可行性。

解決了星載激光雷達的應用、技術指标的論證、單項關鍵技術的攻關等問題，2016年年底，近50名專家聚在北京一個酒店的大廳裡，開展商議評審，會議結束前，專家們一緻認為：可行，可做。

潘超覺得，在既有的條件下，要實現跟跑、并跑、領跑，是個艱難的過程。“但我也覺得，你付出了多少，就會收獲多少。”他說。

項目團隊從原先的10人壯大到50多人，在趙一鳴看來，這批人是真正熱愛激光雷達事業。趙一鳴告訴團隊成員：“你們以後當爺爺奶奶了，你就跟孫子輩說，當年我做了個東西，現在在太空還能打出光到地球來，在地球上有個印記。你們說，這是不是件很偉大的事情？”

項目團隊對多波束激光雷達大氣激光器進行裝調。中國航天科技集團九院704所供圖

接收激光回波信号，自動對中系統尤為關鍵

大氣激光雷達在工作時需确保激光器發射的激光經大氣反射後恰好進入望遠鏡接收視場，才能使激光雷達收到回波信号。

由于激光器發散角和望遠鏡視場角都非常小，這一過程就如大海撈針一樣困難，此時自動對中系統就尤為關鍵。

“簡單地講，自動對中系統就是一個高精度、高分辨率的二維激光指向調整裝置。”該自動對中系統技術負責人周樹春告訴記者。

據他介紹，當前，由于無法獲得高精度實時光軸指向反饋信号，系統精度完全依靠精密機構和控制系統自身設計加工的精度，其難度很大。

技術團隊從前期的技術攻關，到電性件和鑒定件的研制，再到最後的正樣研制，整個自動對中系統的研制前後花了近七年時間。

大氣激光雷達在發射中會經曆劇烈振動，衛星發射入軌後，重力環境也會發生巨大變化，這些因素都會導緻原本調整好的收發光軸發生變化。

周樹春說，此時就需要自動對中系統“大顯身手”，它有一套高效的搜索策略确保準确地找到最佳對中位置，對中完成是激光雷達工作的第一步，這也是項目總體特别關注這一分系統的主要原因。

由于沒有前人的經驗借鑒，自動對中系統的研制過程非常艱難，遇到了很多困難，每一個難題的解決都凝聚着項目組設計人員的巨大付出。

在做熱真空實驗時，作為分系統的一項關鍵指标，激光指向的穩定性嚴重超标。研制團隊把試驗室當成了家，吃住、工作在一起，花了一個多月時間，把各種工況的實驗全部做了一遍，逐個排查。

多波束激光雷達熱真空試驗現場。中國航天科技集團九院704所供圖

“我們把系統的每一組件在熱真空環境下的特性摸個遍，最終才找到問題的症結。作為航天人，要想成功就得對自己狠一點。”周樹春說。

據了解，目前，自動對中系統已經順利完成了在軌對中過程，準确标定出了激光發射光軸的最佳位置。系統精度和穩定性完全滿足指标要求。

沒因病痛落淚，卻在發射現場失聲痛哭

為了實現高精度的碳彙監測，研制人員還要做一項創新，将激光雷達和光學相機放在同一載荷上，來實現主被動的聯合觀測。團隊沒有經驗可借鑒，方案反複論證，測試實驗失敗又重來，曆經兩年多，最終艱難地克服了障礙。

除了已經在軌運行的激光器外，地面上也有個類似的激光器。研制人員設計它，是為了考核激光器的星載壽命。這個1:1的地面激光器的驗證測試已持續了近2年8個月，并發射了14億次的激光脈沖。這一測試證明，激光器已遠遠超過了當時設計時的相關要求，性能穩定。

這些年來，當上媽媽的趙一鳴，有過兩次骨折，拄着雙拐，打着夾闆，她也從未掉隊。任務來了，大家都是奔着完成任務去的。“為了保證項目的研制周期，李靜博士也是兩次推遲了自己的手術時間，硬撐着完成了整個載荷的研制後才去做的手術。”趙一鳴說。

據李靜回憶，在做項目論證的一段時間裡，她總感覺肚子疼痛難忍，去醫院檢查後，發現自己已經懷孕7周了。孩子出生後，簡單休養完，她就又投入到激光器的研制中。李靜的丈夫也是航天人，他們都忙，加上雙親年紀大，行動不太方便，小孩要接種國家規定的兒童疫苗，結果拖了兩年半。

去年，李靜又間斷性地覺得肚子疼。“我是屬于那種工作起來，就不知道餓、不知道痛，一讓我歇着，身體不适感的反應就極其強烈的人。”李靜告訴記者，晚上睡覺做夢，會夢到自己為産品出現的問題焦慮。為了讓自己做的産品不出差錯，在做大氣環境實驗的熱真空監測時，她曾連續70個小時沒睡覺。後來，李靜發現，自己出現急性劇烈腹痛的原因竟是體内囊腫破裂。

對于這種工作狀态，潘超也提到，他們看的不是時間，而是當天任務的完成度，有些時候，一出實驗室才發現是淩晨兩三點了。

沒因病痛落淚的李靜，在今年8月初的“碳星”發射現場哭了。她站在離太原衛星發射基地最近的一個小山包上，死死盯着火箭。一旁的同事問她：“感覺到地動山搖了嗎？”李靜轉頭望着同事，淚水掉了下來。“我真的忍不住，哭了快半小時。發射完，所（704所）領導來了，我還在哭。真的，我挺自豪的。”李靜說。

實際上，多波束激光雷達随着“碳星”順利升空，讓整個項目團隊成員都興奮不已。衛星升空後，趙一鳴寫了首打油詩，詩中有兩句是：筚路藍縷無悔懼，隻待明年花更好。

随着多波束激光雷達在軌運行正常，探測數據優異。接下來，該激光雷達将在日後的“碳彙”量化監測和全球“碳家底”摸排中發揮至關重要的作用。

修養中的李靜也告訴記者：“希望能早點調整過來，再為祖國奉獻30年。”

新京報記者 張建林

編輯 陳靜 校對 劉越

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