陈卫标：我们已经拿到全球测量数据了！

 

“这个太复杂了，你的技术路线风险太高。”几位美国宇航局（NASA）的遥感载荷专家反应出奇一致。

2015年，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员陈卫标在国际学术会议上遇到几位NASA的同行。因为都是卫星载荷领域的顶尖专家，陈卫标提及他正在筹备立项的“二氧化碳高精度监测激光雷达”项目，想请几位同行提提意见。

“因为都是同行朋友，人家表达得比较委婉。”陈卫标自嘲说，“说风险太高，其实意思已经很明确——你做不出来。”

去年4月，搭载全球首颗大气二氧化碳和高光谱气溶胶探测激光雷达的卫星（“大气一号”）发射成功，我国率先实现全球温室气体和气溶胶高精度激光遥感。陈卫标也凭借在星载激光雷达及其关键激光器在国家重大工程中的突出贡献，获得第三届全国创新争先奖。

交出“答卷”

前段时间，“大气一号”交来一份“优秀答卷”，人类首次获得全球两极地区及全球夜晚的二氧化碳柱线浓度，初步比对精度优于1ppm。

实际上，“大气一号”发射前，距地球700公里的轨道上已有一颗美国的气溶胶探测卫星在工作。美国那颗卫星代表着国际激光雷达遥感载荷的最高水平，但中国计划用难度更大的高光谱技术探测更精准的气溶胶，并且要在一颗卫星上实现“污（气溶胶）碳（二氧化碳）同测”。因此，该方案被国外同行质疑也在情理之中。

提起这颗“污碳同测”的发射背景，陈卫标解释说，以前全球碳排放的“盘点”基本上是国外在做，随着全球气候变化和我国“双碳”目标的确立，“减排降污”的经济发展途径，迫切要求我们掌握全球高精度碳分布的基本数据。

近十几年我国经济发展迅速，一方面经济生产会带来一些排放问题；另一方面，我国的绿化率也大幅度增加，各种新能源新技术的成效怎样，都要求我们了解碳循环、碳平衡问题，这就需要有足够高精度的二氧化碳浓度检测能力。

因此，我国计划发射“大气一号”，这颗全球首颗主动激光雷达二氧化碳探测卫星的主动激光雷达载荷，采用路径差分吸收和后向散射高光谱探测体制，可以获取全球大气二氧化碳柱状浓度、云和气溶胶的垂直分布信息，进行污染监测和二氧化碳柱浓度监测。

艰辛答题

国际上普遍认为，要区分碳源和碳汇，需要达到0.3%的质量精度，即小于1ppm的测量精度。以前的测量手段靠被动光谱测量，利用大气反射的阳光进行测量。

“被动光谱测量存在一定局限性，被云挡住或没有阳光的地方就无法测量。”陈卫标说，“后来我们提出主动测量的办法，在卫星上发出激光，通过地表反射的激光进行定量测量。但这是个新技术方案，它能不能精确到1ppm，需要用数据说话，那就必须进行定标。”

这就要求在发射卫星前，先在实验室模拟出大气环境，来证明我们载荷的测量精度能达到要求。为此，陈卫标团队建立一个二氧化碳吸收池——一个长约40米，直径300毫米的管状实验装置。然后用压力和温度的变化量来模拟整层大气层吸收，通过改变压力和浓度，逐步区分1ppm来验证设备的响应变化率。

因为国际上从未做过，所以从实验方案设计到建吸收池，再到申请专利，然后用到激光雷达载荷上都必须自己摸索。

美国气溶胶测量卫星CALIPSO在700公里的卫星轨道上，中国就想同样发射到700公里轨道，这样一是能和原来的数据进行比对。二是气候和环境观测需要连续的数据，而CALIPSO延寿运行到今年为止。如果中国的卫星能补上去，全球大气观测数据就可以延续下来。

但要把激光雷达“搬”到700公里的轨道上测量全球大气，还有无数麻烦在前面等着。

700公里轨道太高，要保证激光从卫星上“打”到大气中，再返回卫星，必须有足够的能量。但二氧化碳探测使用一种“差分吸收法”测量，该方法测量的前提是激光频率要稳定，一旦频率“飘移”，就无法判断是大气浓度变了还是激光频率变了。

“传统激光技术存在一个矛盾——能量大的时候，频率稳定度就保证不了。”陈卫标说。

巧合的是，陈卫标团队长期进行空间激光技术的研究，他们基于此前的技术积累，发明一套激光稳频技术和一套逐级能量放大技术，完美解决了这个两难问题。在国际上第一次在一台激光雷达中，实现多波段频率稳定和高能量同时输出，以实现多要素的高精度探测。

“少‘打’一颗卫星上天，对国家来说也可以节省很多成本。”陈卫标解释说，“设计方案的时候我们分析过，测量二氧化碳的短波红外激光是通过近红外激光产生的，而剩余的近红外激光可以再转化到可见光，所以让一套激光系统发挥两种功能也不是完全不可能。”

此外，激光雷达的接收需要一米口径的望远镜，在一个接收望远镜巧妙分出若干个通道，其中3个专门测雾霾，两个专门测二氧化碳，这就完美解决了“污碳同测”问题。

准备“领跑”

从饱受质疑到脚踏实地“做出点事情”，陈卫标感受颇深。他认为，当前中国科技领域“跟跑时代”马上就要过去，到需要自强自立的时候了。这就需要我们深入思考，做出创新性工作。

“我常对团队的年轻人说，我们处于一个重大科技变革期，全社会对科技的期望非常高。”陈卫标说，“这需要我们认真思考，到底什么样的科技才能真正支撑国家发展。”

陈卫标认为，在科研选题方面，我们面临“热”和“冷”的选择。“冷”是指一些“补短板”的研究，即使不是科技前沿和热点，只要是国家的“痛点”问题，就值得定下心来，脚踏实地做好攻关；在“热”的方面，我们应该自信自强，将前沿热点的“极限”做出来，能真正引领学科、技术的发展，为科技转化和产业变革奠定基础。

“下周我们要参加一个国际学术会议，会见到这些NASA的国际朋友，我们会做专题报告，告诉他们已经拿到全球激光雷达测量数据了。”采访最后，陈卫标语气略显自豪地表示。