作者|Yichen Yang, Yudi Zhou, Iwona S. Stachlewska, Yongxiang Hu, Xiaomei Lu, Weibiao Chen, Jiqiao Liu, Wenbo Sun, Suhui Yang, Yuting Tao, Lei Lin, Weige Lyu, Lingying Jiang, Lan Wu, Chong Liu, Dong Liu

完成单位 | 浙江大学，华沙大学，NASA，中国科学院上海光机所，东海实验室，北京理工大学

星载激光雷达以其全球覆盖和全天时探测的优势，在海洋观测领域发挥着重要作用。此前的研究中，研究人员利用星载激光雷达CALIOP 和ATLAS 在海洋观测领域取得了大量成果，然而这些仪器系统均基于米散射，反演算法中进行了诸多假设。2022 年4 月16 日，中国成功发射了大气环境监测卫星DQ-1 ，其主要载荷ACDL 是世界首颗用于云和气溶胶探测的星载高光谱分辨率激光雷达（HSRL ）。针对星载HSRL 在海洋观测的空白，浙江大学刘东教授团队联合中科院上光所等团队在遥感领域顶刊《Remote Sensing of Environment》上发表文章，阐述了团队开发的一套基于ACDL/DQ-1 反演海洋颗粒物后向散射系数的算法，实现了全球海洋颗粒物后向散射系数的高精度昼夜连续探测。该算法基于HSRL 原理，将分子布里渊散射信号作为弹性散射信号的参考，在剔除了米散射激光雷达反演中大量假设的同时提高了反演结果精度。将星载激光雷达数据与被动遥感和原位测量数据进行了对比校验，对比结果证明了反演结果的准确性。

颗粒物后向散射系数( bbp ) 是海洋光学和生物地球化学的核心参数，可用于估算颗粒有机碳储量、浮游植物生物量、初级生产力等海洋生态系统中的关键参数。bbp 的常用探测手段包括原位测量和被动遥感。然而，原位测量覆盖范围小、探测效率低，被动遥感则无法在夜间和极地的冬季工作，且易受到气溶胶的影响。

星载激光雷达是一种主动遥感仪器，具有全球尺度和昼夜连续观测等优势。前期已有研究利用星载激光雷达CALIOP 和ATLAS 开展了海洋光学参数反演研究，证明了星载激光雷达获取海洋光学特性的可行性。然而，CALIOP 和ATLAS 均基于弹性散射信号，反演算法依赖于风速数据驱动的海表散射，且进行了诸多假设。

2022 年4 月16 日，中国成功发射了大气环境监测卫星（DQ-1 ），其主要载荷为大气探测激光雷达ACDL 。ACDL 是世界首颗用于云和气溶胶探测的星载高光谱分辨率激光雷达（HSRL ），利用碘池作为532nm 波长处的超窄带滤波器。基于颗粒物散射和分子散射在光谱分布上的差异，碘池可有效抑制颗粒物散射信号并透过分子散射信号。ACDL 凭借HSRL 技术提供了前所未有的分子散射信息，在海洋观测领域具有巨大的应用潜力。DQ-1 的成功发射有望补充星载激光雷达海洋观测数据，并成为全球海洋观测系统的重要组成部分。

本文首先对ACDL 仪器系统和所用数据进行了介绍，随后介绍了包括基础公式推导、分子散射计算、数据质量控制等步骤在内的bbp 反演算法流程，并将反演结果与被动遥感数据与原位测量数据进行了对比校验。最后，文中从算法和硬件方面对星载激光雷达进行了讨论，将ACDL 与CALIOP 、ATLAS 进行了对比分析，并指出了未来研究的发展方向。

DQ-1 是一颗太阳同步极轨道卫星，高度为705 千米，重访周期为51 天。ACDL 是DQ-1 卫星上的主要载荷，其发射系统采用Nd:YAG 激光器，可发射 532 、1064 和1572nm 三种波长的激光脉冲，其中532nm 激光为线偏振。532nm 的脉冲能量为130mJ ，1064nm 的脉冲能量为180mJ ，重复频率为40Hz 。接收系统使用1 米孔径的望远镜收集来自大气和海水的后向散射光。

本研究中，使用532nm 通道信号进行海洋光学参数反演。532nm 具有三个探测通道，分别为平行偏振通道、垂直偏振通道和分子通道。后向散射光通过偏振分光器后，分为平行和垂直于发射激光偏振方向的两部分。垂直偏振光直接由探测器接收，而平行偏振光则被分成另外两路，其中一路进入探测器，另一路则通过碘池后被接收。碘池作为超窄带滤波器，可有效滤除海水的米散射和瑞利散射，而保留布里渊散射信号。

为进一步验证反演结果的真实性，采用原位浮标Argo 数据开展了数据校验工作。采用多个星载- 原位时空匹配窗口，将星载激光雷达ACDL 与原位浮标Argo 数据进行了匹配，对比结果展示出星载激光雷达与原位探测之间具有较高的相关性。

本文基于DQ-1 卫星上的ACDL 激光雷达系统测量得到的垂直通道和分子通道信号，开发了全球首个星载HSRL bbp 反演算法，并开展了相应的数据对比校验工作。ACDL 的成功发射和海洋反演算法的建立，为海洋观测提供了星载HSRL这一全新视角。ACDL 有望提供长期的星载激光雷达海洋观测数据，加深我们对海洋生态和气候长期变化的认识，为全球海洋卫星观测系统的建立做出贡献。