“這個(ge) 太複雜，你的技術路線風險太高。”美國宇航局（NASA）幾位遙感載荷專(zhuan) 家的反應出奇一致。

2015年，中國科學院上海光學精密機械研究所研究員陳衛標在一場國際會(hui) 議上遇到NASA幾位同行，便請他們(men) 對自己正在籌備立項的“二氧化碳高精度監測激光雷達”項目提出意見。

“因為(wei) 都是同行，表達得比較委婉。”陳衛標自嘲說，“風險太高的意思其實是做不出來。”

然而去年4月，搭載全球首顆大氣二氧化碳和高光譜氣溶膠探測激光雷達的衛星“大氣一號”發射成功，意味著我國已率先實現全球溫室氣體(ti) 和氣溶膠高精度激光遙感探測。陳衛標憑借在星載激光雷達及其關(guan) 鍵激光器國家重大工程中的突出貢獻，獲得第三屆全國創新爭(zheng) 先獎。

交出“答卷”

近日，“大氣一號”交來一份“優(you) 秀答卷”——人類首次獲得全球兩(liang) 極地區及全球夜晚的二氧化碳柱濃度，初步比對精度優(you) 於(yu) 1ppm。

“大氣一號”發射前，距地球700公裏的軌道上已有一顆美國的氣溶膠探測衛星在工作。那顆衛星代表著國際激光雷達遙感載荷的最高水平，但中國計劃用難度更大的高光譜技術更精準地探測氣溶膠，並且要在一顆衛星上實現“汙（氣溶膠）碳（二氧化碳）同測”。

陳衛標解釋說，以前全球碳排放的“盤點”基本是國外在做，隨著我國“雙碳”目標的確立，“減排降汙”的經濟發展途徑迫切需要我們(men) 掌握全球高精度碳分布的基本數據。

“大氣一號”這一全球首顆主動激光雷達二氧化碳探測衛星的主動激光雷達載荷，采用路徑差分吸收和後向散射高光譜探測體(ti) 製，可以獲取全球大氣二氧化碳柱狀濃度、雲(yun) 和氣溶膠的垂直分布信息，進行汙染監測和二氧化碳柱濃度監測。

艱辛答題

國際上普遍認為(wei) ，要區分碳源和碳匯，需要達到0.3%的質量精度，即小於(yu) 1ppm的測量精度。以前的測量手段主要靠被動光譜測量，即利用大氣反射的陽光進行測量。

“但被動光譜測量存在一定局限性，沒有陽光的地方就無法測量。”陳衛標說，“我們(men) 提出主動測量法，即在衛星上發出激光，再通過地表反射的激光進行定量測量。但這個(ge) 新技術方案能否精確到1ppm需要用數據證明。”

這就要求在發射衛星前，先在實驗室模擬出大氣環境，證明載荷測量精度能達到要求。為(wei) 此，陳衛標團隊建立了一個(ge) 二氧化碳吸收池——長約40 m、直徑300 mm的管狀實驗裝置，然後用壓力和溫度的變化量模擬整層大氣層吸收，通過改變壓力和濃度，逐步驗證設備的響應變化率。

美國氣溶膠測量衛星CALIPSO在700公裏的衛星軌道上，延壽運行到今年為(wei) 止。中國之所以也發射到700公裏軌道，一是因為(wei) 能和原來的數據進行比對，二是因為(wei) 如果CALIPSO停止運行，中國衛星補上去，全球大氣觀測數據能得以延續。

陳衛標表示，700公裏軌道太高，要保證激光從(cong) 衛星“打”到大氣中再返回衛星，必須有足夠能量。而二氧化碳探測使用“差分吸收法”測量，該方法的前提是激光頻率要穩定，一旦不穩就無法判斷是大氣濃度變了還是激光頻率變了。

“傳(chuan) 統激光技術存在一個(ge) 矛盾——能量大的時候，頻率穩定度就保證不了。”陳衛標說。

陳衛標團隊為(wei) 此發明了一套激光穩頻技術和一套逐級能量放大技術，完美解決(jue) 了上述兩(liang) 大難題，這是國際上第一次在一台激光雷達中實現多波段頻率穩定和高能量輸出，以實現多要素的高精度探測。

“少‘打’一顆衛星上天，對國家來說可以節省很多成本。”陳衛標解釋說，“設計方案的時候我們(men) 分析過，測量二氧化碳的短波紅外激光是通過近紅外激光產(chan) 生的，而剩餘(yu) 的近紅外激光可以再轉化為(wei) 可見光，所以讓一套激光係統發揮兩(liang) 種功能不是完全不可能。”

此外，激光雷達的接收需要1 m口徑的望遠鏡，在1個(ge) 接收望遠鏡中巧妙分出若幹個(ge) 通道，其中3個(ge) 專(zhuan) 門測霧霾、兩(liang) 個(ge) 專(zhuan) 門測二氧化碳，這就完美解決(jue) 了“汙碳同測”問題。

準備“領跑”

從(cong) 飽受質疑到腳踏實地做出實事，陳衛標感受頗深。他認為(wei) ，當前中國科技“跟跑時代”就要過去，即將迎來科技自立自強的時代。

“我們(men) 處於(yu) 一個(ge) 重大科技變革期，全社會(hui) 對科技的期望非常高。”陳衛標說，“這需要我們(men) 認真思考，什麽(me) 樣的科技才能真正支撐國家發展。”

陳衛標認為(wei) ，在科研選題方麵，我們(men) 正麵臨(lin) “熱”和“冷”的選擇。“冷”是指一些“補短板”的研究，這些研究即使不是熱點，但隻要是國家發展“痛點”，就值得做好攻關(guan) ；在“熱”的方麵應該自信自強，將前沿熱點的“極限”做出來，真正引領學科、技術的發展，為(wei) 科技轉化和產(chan) 業(ye) 變革奠定基礎。

“我們(men) 即將參加一個(ge) 國際學術會(hui) 議，到時會(hui) 見到NASA的朋友。我們(men) 會(hui) 作專(zhuan) 題報告，告訴他們(men) 我們(men) 已經拿到全球激光雷達測量數據了。”陳衛標自豪地說。