全球首次利用星载高光谱分辨率激光雷达完成海洋光学特性探测

论文导读

     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。

研究背景

      颗粒物后向散射系数(b_bp)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。b_bp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。

主要研究内容

     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b_bp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。

图 1 大气环境监测卫星DQ-1

图 2 ACDL结构框图

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。

图 3 碘池的光谱透过率曲线和海水分子的布里渊散射光谱分布

基于HSRL系统原理，文中根据垂直偏振通道和分子通道信号之间的关联性，提出了海洋颗粒物后向散射系数b_bp反演算法。为提高数据质量，采取了多个条件进行质量控制。例如，当信号峰值位置偏离海面、垂直通道信号饱和、风速超过9m/s时，排除此处的激光雷达数据，以避免云、陆地、海冰、白帽等因素的影响。文中使用了ACDL在2022年9月的观测数据，刻画了全球海洋的b_bp分布。

为验证该反演算法的准确性，分别开展了沿轨对比和全球对比。在沿轨对比中，ACDL b_bp与MODIS b_bp之间的相对差异均小于20%，相关性可达R²=0.8。在全球尺度上，将2022年9月的反演结果与相应的MODIS月平均数据进行了比较。结果表明，ACDL与MODIS数据具有相似的全球分布，在大洋的开放水域中的相对差异总体上小于50%。

图 4 ACDL与MODIS b_bp数据散点密度分布和相对差异分布

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。

图 5 星载-原位数据匹配校验

观点评述

     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 b_bp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。