星载激光雷达是20世纪60年代发展起来的一种高精度地球探测技术，以卫星作为平台，其运行轨道高、观测范围广、观测速度快，受地面背景、天空背景影响小，具有高分辨率、高灵敏度的特点，几乎可以触及世界的每一个角落，为三维控制点和数字地面模型(DEM)的获取提供了新的途径，在国防或是科学研究等领域都具有十分重大的应用价值和研究意义。
星载激光雷达还具有观察整个天体的能力，实现天体测绘、全球信息采集、全球环境监测、农业林业资源调查、大气结构成分测量等。此外，星载激光雷达在植被垂直分布测量、海面高度测量、云层和气溶胶垂直分布测量以及特殊气候现象监测等方面也可以发挥重要作用。国际上比较典型的星载激光雷达有：地球观测的GLAS系统、CALIOP星载激光雷达、ALADIN星载多普勒激光雷达。
在激光雷达技术方面，国内某专家认为，单光子(Single-photon)激光雷达技术，也称为Geiger-mode激光雷达，将对机载和星载激光雷达系统带来革命性的影响。单光子激光雷达传感器拥有纳秒级别的最小激发激发时间，能够大幅提高激光脉冲的发射频率，并且该传感器能大幅提高激光接收器的敏感性。这使得单光子激光雷达能够在更高的高度上采集高密度、高精度的激光雷达点云。目前，经测试，该系统在大于10公里的采集高度上仍可以获取10到20个点每平方米的点密度的数据。美国宇航局NASA在其将要发射的ICESat2星载激光雷达设备上采用这一技术。
GLAS星载激光雷达系统(Geoscience Laser Altimeter System)
GLAS(地球科学激光测高仪系统)是第一个用于连续地球观测的激光测距(激光雷达)仪器，它将独特的大气观测作为ESE(地球科学企业)气候变化计划的重要组成部分。GLAS主要任务是监测南极洲和格陵兰冰盖的高程变化，用于测量冰盖地形和相关的时间变化，云和大气特性，并提供准确的短期气候和天气预报所需的辐射重要云层的高度和厚度信息。此外，GLAS在陆地和水上的运行将提供沿轨道地形。
2009年10月，卫星上的最后一台激光器停止工作，NASA于2010年2月宣布ICEsat科学任务结束。但ICESat任务(2003年1月13日至2010年8月14日)的第二代
ICESat-2计划于2018年发射。
GLAS搭载世界上首颗激光测高试验卫星，即冰，云和陆地海拔测量卫星ICESat于2003年1月13日在美国Vandenberg空军基地成功发射。
GLAS激光雷达采用双波长工作模式，波长分别为1064nm和532nm，GLAS的激光发射系统拥有3台相同的半导体抽运Nd：YAG激光器，工作状态下只使用一台，另外两台作为备用以延长激光雷达系统的使用寿命。为获取较高的峰值能量，激光器采用Q技术，将脉宽压缩至4ns，系统参量如下表。
在长达7年左右运行周期中。共开展了15次观测活动，主要进行冰盖高程测量、海冰厚度测量等，还可用于测量植被高度和陆地生物量及应用于其他多个交叉科学。下图为2003～2009年期间测量道德格陵兰岛冰层和冰流变化情况。
GLAS提供了植被结构的测量数据，并与即将进行的后续任务(如ICESat-2)一起，在不久的将来，可在全球范围内研究植被变化。下图为来自NASA
ICESat卫星上的GLAS 激光雷达在2004年10月至2008年3月收集期间的全球GLAS波形数据集(n =12,336,553)，进而获得森林冠层高度估计值。
CALIOP星载激光雷达
带偏振的云气溶胶探测激光雷达(cloud-aerosol lidar with orthogonal polarization，CALIOP)是由NASA和CNES(法国国家航天中心)联合研制，并搭载CALIPSO(The Cloud-Aerosol LIDAR Infrared Pathfinder Satellite Observation)云-气溶胶激光雷达和红外探测卫星于2006年4月28日由美国NASA联合Fibertek公司发射｡运行于太阳同步轨道上。CALIPSO卫星包括三种仪器，即正交极化的云雾气溶胶激光雷达(CALIOP激光雷达)，成像红外辐射计(IIR)和宽视场相机(WFC)。
CALIOP能够提供全球的气溶胶、云层的时空分布特性，为研究沙尘输运、火山灰传输、卷云和混合相云特性提供了宝贵的数据支持。
CALIOP是一款双波长偏振敏感激光雷达，可提供气溶胶和云层的高分辨率垂直剖面。CALIOP的激光发射系统为二极管Nd：YAG激光器，同时发生1064和532nm2个波段的激光脉冲，发射频率为20.16Hz。CALIOP使用三个接收器通道：一个测量1064nm反向散射强度和两个测量532nm反向散射信号的正交偏振分量的通道。每个通道上的双14位数字转换器提供有效的22位动态范围。接收望远镜的直径为1米。有效载荷中包含冗余激光发射器。采用主动瞄准系统来保持发射器和接收器之间的共同对准。BallAerospace公司研制出该仪器。
CALIOP能探测到的信号强度跨度达到6个量级，覆盖从地面以上30～35km的无气溶胶情况下散射的信号，具体参量见上表。
CALIOP在南大西洋异常(SAA)地区内和附近发生高频率的低能量激光照射，自2017年5月下旬以来已降低了受影响的剖面的科学质量。在SAA和周围地区，在当前激光器的剩余寿命期间低能量激光照射的频率将增加。
ALADIN星载多普勒激光雷达
ALADIN(Atmospheric Laser DopplerInstrument)星载多普勒激光雷达是目前前正在开展的地球大气观测项目(atmospheric dynamics missionaeolus，ADM-Aeolus)的主要载荷，用于探测全球分布对流流层和平流层底大气风场垂直剖面，以弥补目前此类数据在海洋和极地等地区较少的不足。
该激光雷达计划运行于400km高度的太阳同步轨道上，运行频率为109圈/7天。其探测数据可直接用于地球的能量输送研究，为更精准的数值天气预报和大气研究服务。该系统同时还可以提大气后散射的高度廓线及大气消光系统，用于云和气溶胶研究，目前激光器与发射系统已完成联合测试。
ALADIN激光雷达，由三个主要元素组成：发射系统，结合的Mie和Rayleigh后向散射接收器组件以及直径1.5米(4.9英尺)的卡塞格林望远镜。其发射系统基于150mJ二极管Nd：YAG激光器，工作在355nm的紫外线下。Mie接收器由一台分辨率为100MHz(相当于18m/s)的Fizeau光谱仪组成。Rayleigh接收机采用2GHz分辨率和5GHz间距的双滤波法布里-珀罗干涉仪。
ALADIN激光雷达原预计于2015年搭载卫星发射，但在开发过程中出现了紫外激光在真空中损坏光学表面的问题。进而发射推迟到2017年，为了解决该问题欧空局的科学家向NASA寻求支持，但NASA对这种设计的激光雷达的经验很少。卫星所需的技术正在推动技术发展，因此，在问题发展后，欧空局要求空中客车公司在继续任务开发之前在真空中进行额外的全模型试验。ALADIN涉及的总体并发症导致估计超过最终成本的50%，欧空局同意为该项目提供额外资金。欧空局于2016年9月7日与阿丽安娜空间公司签署了3,257万欧元的发射合同。目前预计于2018年9月搭载由空客防务及航天公司建造的地球观测卫星Amospheric Dynamics Mission Aeolus发射。
除了上述星载激光雷达系统外，比较知名还包括NASA/LaRC星载差分吸收雷达、月球观测Clementine系统、火星勘探者的MOLA-2系统、观测空间小行星的NRL系统、后向散射雷达ATLID等。
主要参考资料
[1]. NASA官网.
[2]. ADM-Aeolus，wikipedia.
[3].The spaceborne wind lidar mission-- ADM-Aeolus ESA wind mission.
[4].D. Morançais .ESA-NASA Working Meeting on LIDAR：ALADIN Instrument:Key
Issues & Technical Challenges
[5].环环，赵宝林. 数字绿土创始人郭庆华： 激光雷达，市场依旧很大，看重无人驾驶领域[Z]. GIO企业家俱乐部,2018.
[6].佚名. 激光雷达的原理、应用现状及其发展[N]. OFweek激光,2017.
[7].郭商用等. 国外星载激光雷达研究进展[J].中国科学院 国家空间科学中心,2016.
[8].郑韶青等. 星载激光雷达CALIOP功能、产品和应用[J]. 中国科学环境研究院,2014.
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