在美國宇航局戈達德太空飛行中心(NASA’s Goddard Space Flight Center)，研究人員正在致力于研究未來太空飛行和遙感儀器使用的激光發(fā)射器，包括用于冰蓋和海洋浮冰監(jiān)測的微脈沖激光高度計、用于大氣二氧化碳檢測的激光光譜學儀器和用于地球表面高分辨率成像用的激光成像雷達。此外，這些飛行載荷還可以用于太陽系統(tǒng)其它星體的大氣層檢測和星體表面成像。本文首先綜述了美國宇航局過去用于火星、水星、地球和月球軌道的空間飛行激光載荷的發(fā)射器，然后概括了目前的空間飛行激光載荷項目，并且介紹了它們遠程傳感的科學和探索應用的預期效果。
　　1 引 言
　　目前正在軌應用的激光載荷有三個，它們的任務是用來收集地球、月球和水星的科學實驗數(shù)據(jù)，以便我們能夠更加深入的了解我們的地球和太陽系。所有的這些雷達系統(tǒng)全部采用了半導體激光器陣列泵浦的高功率準連續(xù)固體激光器作為光源。第一個星載半導體激光器陣列泵浦的固體激光器是火星衛(wèi)星激光高度計，它于1996年發(fā)射，它提供了大量高分辨率的火星表面的形貌數(shù)據(jù)。隨后的2003年又發(fā)射了用于地球科學研究的激光高度計。目前正在軌應用的激光載荷分別為：2006年發(fā)射的云-氣溶膠正交偏振激光雷達，水星激光高度計和2008年發(fā)射的月球衛(wèi)星激光高度計。盡管目前的半導體泵浦固體激光器在太空取得了很大的成功，但是仍然不能滿足未來激光雷達的要求。因此，需要為未來遠程傳感應用研制新型的航天激光器。
　　2 目前在軌的航天激光器綜述
　　自上世紀90年代晚期，美國宇航局就已經(jīng)在所有的航天用激光雷達系統(tǒng)中采用半導體泵浦的準連續(xù)固體激光器作為光源?；鹦切l(wèi)星激光高度計于1996年發(fā)射，它采用了半導體激光器泵浦的zig-zag Nd：YAG板條，交叉波羅腔，主動Q開關激光器，波長為1064nm，脈沖能量40mJ，脈沖寬度10ns，重復率為10Hz?；鹦切l(wèi)星激光高度計的主要科學目的是獲得全火星地表的形貌數(shù)據(jù)，形貌數(shù)據(jù)的精度可以滿足地質學與地球物理學研究的需要。自1996年11月發(fā)射到2001年6月任務結束，火星激光高度計共發(fā)射了670 000 000個激光脈沖，獲取了640 000 000個火星表面和大氣的測量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)量是過去所有以前的航天激光雷達獲取數(shù)據(jù)總和的十倍以上，火星激光高度計的性能和壽命都優(yōu)于預期。航天飛機激光高度計(Shuttle Laser Altimeter，SLA) I & II是火星激光高度計的拷貝，分別于1996年和1997年發(fā)射，用于獲得地球表面的形貌數(shù)據(jù)，共累計發(fā)射了6 000 000個激光脈沖。
　　地球科學激光測高系統(tǒng)(Geoscience Laser Altimeter System-GLAS)的激光器第一次采用了被動調(diào)Q，主振－功率放大的設計。該激光測高系統(tǒng)于2003年發(fā)射，2011年初完成既定任務，在任務期間，三個發(fā)射端共發(fā)射了近2 000 000 000個激光脈沖，該系統(tǒng)中的激光器是下一代空間遠程傳感用激光器的代表。地球科學激光測高系統(tǒng)的激光器的性能比火星激光高度計的激光器在功率、光束質量、脈沖寬度、重復頻率方面均高一個量級，具體為：激光脈沖總能量為110mJ，其中1.06μm波長脈沖能量為75mJ，0.532μm波長脈沖能量為35mJ，光束質量為110μrad， 脈沖寬度<6ns，重復頻率40Hz。
　　水星表面、空間環(huán)境、地球化學和測距任務(MESSENGER)中的激光高度計需要能夠在距離高度變化和溫度經(jīng)常變化的環(huán)境中工作。該衛(wèi)星與2011年3月份到達預定軌道并開始收集數(shù)據(jù)，軌道的近地點為200km，遠地點為15，200km，周期12小時。激光高度計在離水星表面最近的0.5小時內(nèi)工作，要求測量距離分辨率小于40厘米，預期在整個任務期間總輻射劑量為30krad，采用0.1cm等效厚度的鋁板進行屏蔽。該激光高度計中激光器的脈沖能量大于18mJ，脈沖寬度6ns，重復頻率8Hz，光束質量近衍射極限。激光器的溫度變化范圍為15～25攝氏度，變化率為0.4攝氏度/分鐘。
　　第一個在軌運行的激光雷達是安裝在阿波羅15、16、17上面的激光高度計，用于進行月球表面形貌的測量。其激光器為紅寶石激光器，采用了氙燈泵浦，機械Q開關，為美國無線電公司制造。40多年后，美國啟動了重返月球計劃，該計劃中的月球表面激光高度計(LOLA)是第一個空間多光束激光高度系統(tǒng)。該高度計在發(fā)射望遠鏡的出瞳處有一個衍射光學元件(DOE)，經(jīng)過該元件后產(chǎn)生五個光束照亮月球表面，每個光束均可以測量飛行時間(距離)、脈沖展寬(表面形貌)和發(fā)射/接收能量(表面反射率)，該高度計有兩個激光振蕩源，其中一個作為冷備份。
　　美國宇航局的CALIPSO計劃中的云-氣溶膠正交偏振激光雷達于2006年發(fā)射，它的激光器采用半導體激光器泵浦Nd：YAG產(chǎn)生1064nm和532nm兩個波長的輸出，重復頻率為20Hz，采用主動Q開關得到20ns的脈沖寬度，每個激光器在1064nm均產(chǎn)生220mJ的脈沖能量，倍頻后產(chǎn)生110MJ的脈沖能量。
　　3 未來地球科學激光雷達任務
　　3.1 冰蓋、云和陸地海拔監(jiān)測衛(wèi)星-2任務 (ICESat-2)
　　ICESat-2 是ICESat的后續(xù)任務。ICESat于2003年1月發(fā)射，于2010年2月結束工作。ICESat-2將提供高質量的地形測量數(shù)據(jù)，估計冰蓋體積的變化，從而判斷冰蓋融化對海平面上升的影響。
　　ICESat-2 上的載荷名稱為高級地形測量激光高度系統(tǒng)(Advanced Topographic Laser Altimeter System，ATLAS)。原始的ATLAS設計是一個蛋光束激光高度系統(tǒng)，沿用了GLAS的概念，采用低重頻(50Hz)，高能量(脈沖能量50mJ)和短脈寬(約6ns)。 在2009年中期，ATLAS進行了重新設計?，F(xiàn)在的設計采用了非掃描6光束系統(tǒng)，光束排布方式為3×2，采用微脈沖光子計數(shù)方式，如圖1所示。