航天飞机与空间站的激光雷达空间技术试验。1994-09，“发现号”航天飞机搭载的空间技术试验激光雷达LITE（Lidar In-space Technology Experiment）成功实现大气观测（Winker，1997）。这是是空间对地激光雷达技术自1970年代提出并因激光技术局限而沉寂20年后的重要技术试验，与1990年代同期的诸多机载激光雷达技术一起，为后续空间激光雷达的发展奠定了重要的技术基础。

进入21世纪后，空间站在激光雷达的技术试验验证中仍然发挥了重要作用。2015-01发射的搭载于国际空间站ISS上的云—气溶胶输运系统CATS（The Cloud-Aerosol Transport System），将空间站作为低成本的空间对地观测技术能力试验平台的范例之一（McGill等，2015）。该计划实现了若干“首次”空间激光雷达技术试验：高重频5000 Hz的激光器、光子计数接收器、高光谱分辨通道的Fabry-Perot干涉仪、NASA小企业创新资助SBIR（Small Business Innovative Research）、工业级货架产品组部件（COTS）、全流程端到端（End-to-End）检验ISS低成本技术试验平台理念（从机、电、热接口规范到安全规范）等。该计划广泛吸纳国际合作团队，仅气溶胶后向散射系数产品的真实性检验，全球就有22家单位参加（Proestakis等，2019）。可以预见，未来将有更多空间站（包括中国空间站）开展创新性激光雷达系统技术试验。

空间对地激光雷达从试验到业务化过渡。2003年1月发射的冰—云—陆地高程卫星ICESat-1（Ice，Cloud，and land Elevation Satellite）上搭载了地球科学激光高度计GLAS（Geoscience Laser Altimeter System）（Abshire等，2005），尽管不够成功，但却是空间激光雷达对地观测从试验到准业务化观测的重要过渡。由于激光器故障以及其他多种原因，高度计GLAS于2009-10-11停止高程数据采集，卫星于2010-02结束科学任务、停止所有数据采集。在轨运行七年，ICESat-1不仅为极地变化研究提供了支持，同时为全球高程变化探测提供了近2亿个激光点数据。GLAS也为空间激光技术提供了很多可借鉴的经验，如3台激光器的备份工作、合理的观测运控、组部件工艺技术改进等。

空间对地激光雷达首次实现长生命周期大气气溶胶业务化观测和海洋剖面观测试验。2006-04发射的CALIPSO卫星搭载的云与气溶胶激光雷达CALIOP（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization），目前已创奇迹地运行了14年，取得了极其重要的、系统性的对地观测结果（Getzewich等，2018；Stephens等，2018；Winker等，2004），成为空间激光雷达技术进入业务化对地观测的里程碑。CALIOP是以大气探测为主的激光雷达，但一些科学家利用其有限的上层海洋探测能力，也取得了令人瞩目的成果，包括上层海洋生物光学特性（Churnside等，2013；Dionisi等，2020；Lu等，2014，2016），海洋上层有机碳与初级生产力（Behrenfeld等，2013）、海面风速（Yang等，2008；吴东 等，2012a）、海气交换速率（吴东等，2012a）、海雾（Wu D等，2015）、海洋边界层温度梯度（Wu等，2008）等方面的研究。基于CALIOP在海洋水体探测的成功，人们将其称为“海洋剖面遥感探测的曙光”。CALIOP不仅在被动光学遥感器难以发挥作用的弱光条件或极地环境下实现全天时海洋剖面观测（Behrenfeld等，2017）（参见本文图2和图3），还直接探测到海洋浮游生物的活动（Behrenfeld等，2019）（参见本文图4）。CALIOP在主动海洋光学遥感器发展中所扮演的角色与30年前（1978年）第一个水色遥感器CZCS相类似。CALIPSO及CALIOP的成功得益于数百的相关科技人员的付出，也是发达国家间国际空间技术合作的典范（NASA，2017）。为优化大气探测科学目标的实现，结合大气三维遥感探测多种手段，美法将CALIPSO和CloudSat组成姐妹星座。CALIOP激光雷达在云探测中存在不足，而CloudSat恰好只搭载了94 GHz 的云剖面雷达（Cloud Profiling Radar，CPR），CPR云剖面雷达与CALIOP激光雷达的足印重叠达50%，且前后过境时间只差15 s（Swan，2015）。

Churnside等（2013）、Lu等（2014）文章对星载CALIOP激光雷达在海洋剖面探测中涉及的遥感器响应校正与定标、数据分析处理、海气界面影响、倾斜观测、剖面反演算法等做了相当全面的介绍，对后续空天海洋激光剖面遥感全链条过程都有很好的借鉴作用（Churnside等，2013；Lu等，2014）。但CALIOP水体探测的信噪比太低，只能采取1°×1°月平均数据与MODIS的数据产品进行比较。

星载激光雷达实现对地三维风场探测。激光风场观测技术自1970年代开始可行性研究，1990前后实现技术的快速进步，1990年代中期至2000年前后提出卫星激光雷达测风计划（Singh等，2012）。直到2018年8月，欧洲大气动力卫星ADM-Aeolus的升空才终于将卫星激光雷达测风计划得以实现（Ansmann等，2007；Stoffelen等，2005；Zhai等，2020）。ADM-Aeolus上搭载的多普勒测风激光雷达（ALADIN）首次实现由传统的微波散射计/全极化微波辐射计探测的海面二维风矢量场过渡到全球大气垂直剖面风矢量准三维的空间对地探测。ALADIN的激光单脉冲能量为120 mJ，重复频率为100 Hz，这是迄今为止开展空间观测能量最大的355 nm紫外脉冲激光器，接收望远镜口径为1.5 m，这也是目前最大的空间对地观测望远镜。ADM-Aeolus ALADIN多普勒测风激光雷达的成功，既是20余年国际空间激光雷达科技专家共同努力的结果，也是全球风场探测计划GWOS（Global Winds Observing Sounder）等欧美一系列大气动力观测计划中的新一轮星载测风激光雷达的开端。早在2007年，美国国会就将全球三维风场激光雷达观测研究归为国防（尤其是空军）与民用天气业务预报最具潜在效益的计划（Kavaya等，2007）。NASA地球科学技术办公室ESTO（Earth Science Technology Office）提出的新一代空间仪器孵化计划IIP（Instrument Incubator Program）就支持多波长多角度多波束的测风激光雷达3D Winds用于三维风场的探测（Henson，2008）。

多波束与光子计数空间激光雷达技术。2018-09发射的ICESat-2及其搭载的多波束激光高度计ATLAS（Advanced Topographic Laser Altimeter）（Markus等，2017；Stephen等，2010b），是对15年前不太成功的ICESat-1 GLAS激光雷达的重大改进与提升，其采用多波束和光子计数微脉冲雷达技术，在高程、冰川、森林、内陆与海上浅水水深探测等方面取得了重要成果（Li 等，2019；Parrish等，2019；Yuan等，2020）。从该计划可以预见空间星载多波束（准三维地形）、单光子探测激光雷达技术将成为重要的发展趋势。

主被动光学融合观测、海洋剖面探测激光雷达计划已被提到重要位置。美国NASA在2002年前后，就提出了主被动光学遥感结合，即“海洋剖面激光雷达+海洋水色”的海洋生态探测计划PhyLM（McClain等，2012），但因当时的预算额度和技术的限制，取消了海洋剖面激光雷达部分的计划，但NASA在该计划中仍认为“未来可以通过高性能水色仪与海洋剖面激光雷达以及类似PACE计划中与偏振成像仪相融合的方式提升探测性能”。ESTO向国会提交的《Lidar Technologies Investment Strategy-2016 Decadal Update》报告中，明确将海洋激光雷达作为未来重点支持方向，其所统计的各类激光雷达技术的海洋部分节选如表1所示。

由法国与美国NASA共同提出的COOL计划（Carbon stocks Observation in Ocean and Land by Lidar in space）（基本是CALIPSO团队），其主要载荷为全波形采样的双波长偏振激光雷达以及多光谱相机，主要用于海洋表层颗粒有机碳剖面与陆地植被的探测。该技术方案继承了CALIOP激光雷达成熟的Nd：YAG激光技术，改进短脉冲发射、全波形模拟采样，垂直方向的空间分辨率提高到1 m。

继CALIPSO、POLDER、PARASAL成功之后，“海洋水色+海洋剖面激光雷达+偏振成像仪”能更好地解决上层海洋生物光学、初级生产力、动力生态等问题已成为一个共识，在2019年举行的海洋观测大会上（OceanObs’19），国际海洋光学遥感领域30余位顶级科学家联合对此进行了阐述（Jamet等，2019）。

主动光学与主动微波形成对地三维观测能力的互补。预计2022年发射的ESA与JAXA（Japan Aerospace Exploration Agency）合作的地球云气溶胶辐射探测卫星EarthCARE（Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer）（Illingworth等，2015），其主要目标是获取三维大气时空结构，其主要载荷为测量云与气溶胶三维结构的94 GHz多普勒云剖面雷达CPR，355 nm高光谱偏振激光雷达ATLID（ATmospheric LIDar）（do Carmo等，2017），小型多光谱成像仪（MSI）及测量太阳短波辐射和地球长波辐射宽谱段的辐射计（Broad-Band Radiometer，BBR）。为实现主载荷的精细化三维大气观测，优化轨道设计（393 km），其数据产品将有望提高天气及辐射模型的精度。该计划利用主动微波、主动光学、被动光学与红外技术，将三维大气结构与运动和地球系统辐射进行了很好地结合，其大气三维遥感的理念与技术对海洋三维遥感也具有很好的启发性。

主动光学与主动微波的小卫星伴飞观测。在地表植被精细化三维结构遥感计划中，美国NASA曾于2007年提出DESDynI（Deformation，Ecosystem Structure and Dynamics of Ice）计划（Freeman等，2008），现在称为3D Biomass计划（Albinet等，2019；Valinia等，2016），包括双频（L和S频段）合成孔径雷达成像卫星NISAR（由美国NASA的L-SAR和印度空间研究组织ISRO的S-SAR合作）和植被冠层三维探测十波束激光雷达GEDI（Global Ecosystem Dynamics Investigation）（Hancock等，2019）。该计划将L波段极化干涉合成孔径雷达与多波束激光雷达高度计相结合，实现主动微波与主动光学遥感的结合。为了降低系统复杂性、最大限度地优化干涉雷达和激光雷达探测，该方案曾提出将干涉雷达和激光雷达探测分别放置在不同的卫星平台上，以姐妹星座前后/上下方式飞行的方案。这种伴飞配置，或利用A-Train Constellation星座遥感器的互补特性，是三维遥感时代常见作法，如CALIPSO和CloudSat双星组成的姐妹星座。

真正实现海洋剖面的空间激光雷达探测。美国NASA自2007年提出获批、2017年再次向国会提交的气溶胶—云—海洋生态ACE计划中，主载荷包括大气海洋激光雷，云剖面微波雷达，偏振成像仪，高性能水色仪ORCA等4个仪器。其中大气海洋激光雷达采用的是大气气溶胶云—海洋剖面一体化探测的新型星载高光谱分辨率激光雷达HSRL（High Spectral Resolution Lidar），其主要参数包括“3β+2α+2δ+B”，即：355/ 532/ 1064 nm波段的后向散射“3β”，355/532 nm激光雷达衰减系数“2α”，355/532 nm波段的消偏振系数“2δ”以及532 nm的海洋水体布里渊散射（Brillouin Scatter）“B”（ACE Science Study Team，2020）。ACE计划中的激光雷达将获得比CALIOP更加精细的大气气溶胶、云剖面参数和颗粒物特性参数，更重要的是由获取上层海水的颗粒物垂直剖面层化结构，进而获得水下颗粒有机碳、初级生产力等数据产品（Hostetler等，2015），真正实现了海洋三维剖面的有效探测。ACE激光雷达与CALIOP，CATS和ATLID等激光雷达既有继承性，又有较大的性能提升。值得指出的是，该计划自2007年启动至2017年的10年间，已取得了大量的研究成果，已利用NASA Langley实验室研制的HSRL-1/2高光谱分辨激光雷达开展了约50次的航空飞行试验。这种提前十余年启动算法和航空模拟器预研，大量获取可靠试验数据，验证理论与算法的做法，非常值得学习。

甚多波束空间激光雷达技术的探测。目前国际上单波束或几个波束的大气—海洋剖面激光雷达探测的技术还面临诸多挑战。为更好地对全球地表冠层等三维结构进行遥感测量，NASA、NOAA、USGS联合于2007年提出了LIST（Lidar Surface Topography）计划，并在2009年将其纳入NASA ESTO的仪器孵化计划。LIST计划设计有1000个波束、每5 m一个光斑、5 km刈幅。根据Yu等人的方案，以当前的光子计数接收器的水平，若每个波束需要约100 μJ、10 kHz重频、约1 ns的脉冲宽度的激光，则需要10个MOPA（Master Oscillator Power Amplifier）激光器。将每个光源再分成100束，每个MOPA激光器要以10 kHz频率输出10 mJ，每个激光器的功率则为100 W以上。如果按照15%的电—激光转换效率，需要卫星提供7000 W的供电能力，目前其机载试验已达到了16波束（Yu等，2010a，2012）。Coyle等（2013）的方案则是利用光纤开关阵列等技术，已实现了机载、1×35波束小样机，但要实现1000个波束的星载，仍有很大的挑战。预计2030年前后将有卫星搭载多波束、扫描式、~10 km刈幅的激光雷达载荷。对于广袤海洋的探测而言，除了卫星组网外，如果激光雷达能以扫描方式对海洋进行探测，将极大地推动海洋三维遥感在中小尺度涡旋、涡丝、锋面现象及其动力生态耦合、湍流、跃层、水下目标等方面的应用。

国际大气成分与环境激光雷达遥感计划将推动空间对地激光技术的全面发展。除了大气云与气溶胶、大气动力（风场）激光雷达之外，大气二氧化碳探测ASENDS（Abshire等，2012；Crowell等，2015）、地球水圈观测中发挥巨大作用的重力与气候试验Grace-II计划中的激光雷达（Folkner等，2010；Henson，2008），ESA的水气Lidar计划WALES（Water Vapour Lidar Experiment in Space）（Langen，2004）、大气二氧化碳计划A-SCOPE（Advanced Space Carbon and Climate Observation of planet earth）（Ingmann等，2008）、甲烷气体探测计划MERLIN（Methane Remote Sensing Lidar Mission）（Ehret等，2017；Pierangelo等，2016）、掩星大气成分探测计划ACCURATE（Liu等，2017）等，都将推动空间激光雷达系统技术的快速发展。

可以预见，在未来相当长的时间里，大气动力、云、气溶胶、气体等三维遥感计划、地表植被生态3D遥感探测、地形与冰川测绘、海洋生态等几大类激光雷达应用将快速发展（McManamon，2014；Valinia等，2016）。总之，进入21世纪后，空间地球科学应用激光雷达进入了高速发展期。

中国的星载/机载激光雷达遥感工作已开展多年并取得了很好的成效，尽管在研究的数量、深度、广度以及在科技人员数量的投入上，与欧美发达国家仍有很大的差距。《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025年）》中，陆地、大气观测系列卫星计划以及相关部门的超前科研部署中，已对星载大口径大功率激光器，大气成分、激光测高、多波束测绘激光雷达等研制工作进行了支持。

中国已发射的空间激光雷达包括中科院上海技术物理所与上海光机所等单位联合研制的嫦娥CE-1/2系列中的激光高度计（LAM）、资源三号02卫星（李国元 等，2019）、高分7号双波束和即将发射的陆地生态系统碳监测卫星5波束全波形等激光雷达高度计，为中国后续空间激光雷达技术发展奠定了良好的基础（唐新明和李国元，2019；舒嵘和孔伟，2019）。正在研制中的大气环境监测卫星的大气探测激光雷达ACDL（袁金如等，2019），采用532 nm/1064 nm双波长高光谱分辨率偏振激光，主要探测气溶胶、云的垂直廓线，利用1572 nm路径积分差分吸收方法IPDA（integrated path differential absorption）获取CO₂柱浓度，其垂直分辨率达到30 m，具备一定的海洋探测能力。从技术上评价，ACDL激光雷达是非常先进的星载激光遥感器，其高稳定性的单频窄线宽激光光源、大能量长生命周期脉冲激光器、大口径望远镜、高光谱鉴频器等技术，都可以用于未来海洋剖面激光雷达的工程研制。已纳入“十三五”民用航天预研项目的高精度臭氧探测卫星（激光雷达与被动光学相结合）、激光风场测量卫星等，都将进一步推动中国主动光学遥感技术的全面发展。

中国科学院上海光机所陈卫标团队在空间激光雷达技术、机载海洋激光雷达水下测绘与剖面探测技术等方面也取得了一系列成果（刘梦庚 等，2018；胡善江 等，2018；贺岩 等，2018，2015）；中国海洋大学刘智深、吴东、吴松华等团队（Liu Z S等，2008；Wu D等，2015；Wu和Liu，2002；Wu等，2020；吴东等，2003；孔晓娟 等，2020；郭金家和刘智深，2011；陈卫标 等，1998），北京师范大学刘大禾与南昌航空大学何兴道、史久林等团队（He等，2012；Liu等，2002，2015；Shi等，2012；何兴道 等，2014；刘大禾，1998；史久林等，2019），华中科技大学马泳、梁琨团队（Liang等，2011，2012；Ma等，2013；Yu等，2014；余寅，2015；徐嘉 等，2019；梁琨 等，2008；马泳 等，2008），浙江大学刘东团队（Liu等，2019a，2019c；Zhou等，2017；刘东 等，2020；周雨迪等，2019），自然资源部第二海洋研究所潘德炉、毛志华、陈鹏等团队（Chen和Pan，2019；毛志华等，2020），哈尔滨工业大学田兆硕、任秀云等团队（Ren等，2011；任秀云，2016；任秀云 等，2011a，2011b，2014a，，2014b），从20世纪90年代开始，先后开展了很多水下激光雷达探测相关研究。

中国海洋大学作为中国海洋与大气激光雷达技术及应用的开创者之一，还在风场探测（Liu Z S等，2008；刘志鹏 等，2019；Zhai等，2018）、边界层湍流与通量（Wu等，2016a，b，2019）、偏振拉曼气溶胶水汽（Wu S H等，2015）、创新性地利用夫琅禾费暗线压低背景噪声进行大气边界层探测的技术（Wu等，2013）等方面开展了诸多研究。

另外，利用国外星载激光雷达CALIOP等数据，中国学者已开展了大量海洋—大气相关研究，如海雾（Wu 等，2015）、海面风速（吴东 等，2012b）、海—气界面气体传输（吴东 等，2012a）等。

在中国星载海洋激光雷达计划中，青岛海洋科学与技术国家实验室联合上海光机所先后提出了用于生物光学剖面探测的蓝绿双波长激光雷达、自发布里渊水体剖面温度测量激光雷达等方案（Chen G等，2019；Wu等，2020），具体在本文第5部分介绍。

被动光学（水色）探测的是两个光学衰减长度（Attenuation Length）内的水体光学参数（大约为入射太阳光E_d（z）减弱到表面值E_d（0^-）10%的深度范围）。近岸二类水体的探测深度大概是米级（长江口是分米级）、大洋清洁水体大约是几十米水深内；而主/被动的红外、微波遥感的穿透深度只有10微米至毫米量级（Robinson，2004）。

在科技部重点研发专项、青岛海洋科学与技术国家实验室观澜卫星项目等支持下，中科院上海光机所研制的机载蓝绿双波长海洋剖面激光雷达在532 nm波长5.4 mJ脉冲能量和486.1 nm波长2.7 mJ脉冲能量，重频100 Hz情况下，针对大洋一类水体利用模拟和光子计数法，证明其单脉冲的探测回波信号深度已分别达到50 m、70 m；500次脉冲信号平均的回波探测深度已分别达到80 m和105 m（Chen和Pan，2019；Li等，2020），这个深度已经达到大部分海域叶绿素极大值SCM（Subsurface Chlorophyll Maximum）所在深度。

按照当前最先进的激光雷达490 nm波长4个衰减长度的极限探测能力，可探测到全球海洋80%左右的混合层深度处的生物光学信号（Chen 等，2019）；按3个衰减长度探测能力估算，激光雷达能探测到全球大洋约58%水体的混合层深度处的生物光学信号（Arnone等，2012）。

若按照80—100 mJ的脉冲能量、1 m望远镜口径、接收10个光电子（SNR>3）进行光子计数探测能力的模拟，在最清洁的大洋水体（Clearest Case-I water）或甚寡营养的水体（Hyperoligotrophic Zone）（Morel等，2007，2010），将有望达到—150 m的探测深度，参见表2和图5。

根据有关全球海洋叶绿素最大值分布深度的探讨（Cullen，2015），利用遥感产品推导的结果（Mignot等，2014；Xing等，2019）及地球生物化学剖面漂流浮标BGC-Argo（Biogeochemical-Argo float）数据，约90%大洋水体的叶绿素极大值或浮游生物极大值出现在150 m以内。

最大探测深度或如何能够探测到海洋跃层这个问题，是星载或机载海洋剖面激光雷达系统最主要的设计指标之一。国际上自1970年代至今，这个问题的解决始终受限于海水的复杂性及尚无明确的卫星海洋剖面激光雷达的计划，虽然国内外一些学者已开展了很多有价值的工作（Arnone等，2012；Bogucki和Spiers，2013；Chen S等，2019；Liu，1990），但这些估算的边界条件，尚未取得一致意见。Bogucki和Spiers（2013）针对532 nm激光雷达和当时的技术水平，利用全球Argo阵列温盐深剖面实测数据和MODIS生物光学遥感数据，对激光雷达能穿透多大面积比例的全球大洋均匀混合层信息进行了系统的估算，结论是532 nm波长激光雷达可穿透全球50%大洋的混合层深度。

关于海洋剖面激光雷达最大探测深度及其所能涵盖的全球海洋混合面积比这两个问题的边界条件，国内有关海洋激光雷达与海洋光学专家（李忠平、陈卫标、贺岩、邢小罡、商少凌、陈树果、吴松华、刘秉义、刘东、邱国强、唐军武 等）经多次讨论后认为，应该至少包括以下8个方面（尚未取得一致意见）：

（1） 采用国际公认的大洋最清洁水体的叶绿素浓度及温盐剖面参数（Morel等，2007）；

（2） 统一水体生物光学模型参数，尤其是180°的散射相函数、光谱吸收系数，以及仅有的水体Mueller矩阵（Voss和Fry，1984）；

（3） 可探测到回波信号并可有效进行信息提取的最低信噪比（SNRmin）；

（4） 归一化激光雷达仪器类型与参数，如高光谱与总散射、弹性与非弹性，激光发射能量、海面光斑直径、接收口径与视场角、探测器效能、轨道高度、观测几何等；

（5） 海洋探测最佳的激光波长，尤其是基于夫琅禾费暗线、激光光源及接收器技术上可高效实现的波长（Wu等，2013）；

（6） 统一白天、黑夜的背景光条件；

（7） 海面风速与海面粗糙度模型、气溶胶光学厚度等海洋与大气边界条件（如平静海面还是大洋平均风速7 m/s下的粗糙海面）；

（8） 海洋学家认可的全球海洋四维（X-Y-Z-t，三维立体剖面结合月或季度）生物光学剖面数据集。

随着激光雷达探测要素与探测性能不断进步和最新海洋剖面测量数据的积累，结合混合层或动力跃层与生物光学剖面的关系（Cullen，2015；de Boyer Montégut等，2004），建立公认的全球海洋四维生物光学剖面数据集和公认的模拟仿真参数，还有很多深入的工作需要进行。利用模拟仿真系统解决此问题的建议思路如下：

第1步，利用全球水色遥感获得的表层叶绿素数据对水体进行分区；

第2步，结合不同区域的典型生物—光学剖面，如BGC-Argo数据、类似关于最清洁水体的船测生物光学剖面和模式数据（Morel等，2007），结合混合层或动力跃层与生物光学剖面的关系，获得全球海洋“无缝”的、包含从表层到深层叶绿素最大值层下部的剖面分布（deRada等，2012）；

第3步，利用更加准确生物光学模型，如计算浮游植物的散射时采用双层细胞模型（Coated or Multi-layered Cell）（Organelli等，2018），计算生物光学参数剖面，尤其是近180°的散射相函数（Harmel等，2016），因为不同藻类的180°散射相函数相差近10倍；

第4步，带入激光雷达系统参数、水体参数进行模拟仿真，再得出激光雷达探测能力所达到的最大探测深度及其覆盖海域的面积比例；

第5步，对模拟仿真结果开展海区试验证。

从太阳光的夫琅禾费暗线上看，如果现阶段主要关注大洋清洁水体的最大剖面探测深度，可选择的大洋水体最佳穿透波段有486.1 nm、438.4 nm和430.8 nm等（Chance和Kurucz，2010）。选择合适的暗线位置，有利于白天强背景光下的海洋剖面探测。需要注意的是，普通大气层外太阳辐照度光谱曲线的光谱分辨率不高，其暗线强度数据并不准确。

目前国际海洋剖面探测激光雷达技术仍处于探索试验阶段，挖掘光与水的固有特征潜力，与单纯地提高激光脉冲能量、加大望远镜口径、提高接收探测器灵敏度等措施相比，同样不可忽视。

水体分层结构或层化现象，也称水体剖面变化，是影响诸多海洋变化过程与要素估算精度的最主要的原因之一。水体要素的层化结构又与上混合层深度、不同类型的跃层深度有关（Somavilla等，2019）。根据不同的学科领域，跃层可分为温盐密跃层、营养物质跃层、光合作用或真光层分布导致的生物跃层等（Cullen，2015；de Boyer Montégut等，2004；Fennel和Boss，2003；Xing等，2014，2019），这些跃层导致了复杂的海洋动力生态要素的垂直层化结构及变化过程。海洋跃层时空变化的极端情况之一是内波传播导致的水体温盐密度跃层及伴随的生物跃层垂向分布变化（参见本文第3.5节部分）。

海洋上层水体的生物光学剖面及与此密切相关的颗粒碳、初级生产力的激光探测与反演，是空间海洋剖面探测激光雷达最可能首先解决的三维遥感科学应用问题。这主要涉及3方面复杂的问题，一是水体中影响偏振光散射和吸收的颗粒物光学模型的复杂性；二是水体层化带来的信号反演过程的复杂性；三是海气界面的复杂性。［注：大气激光辐射传输问题不在本文讨论范围］

Stramski等（2004）对水体成分的粒径分布及其散射特性做了很好的总结（图6）；但该文采用的浮游植物模型为均质细胞（Homogeneous Cell）光学散射模型。Kostner等（2020）对各种水体成分在散射中的相对贡献进行了测量分析。Organelli等（2018）在Nature Communication上发表文章表明，针对大洋水体均质细胞假设所导致的“missing scatter”问题，利用两层（多层）细胞模型（Coated Cell or Multi-layered Cell），很好地解决了传统海洋光学测量与模型中后向散射与光束衰减（总吸收+总散射）无法同时吻合的问题。而有关多层细胞模型问题实际上很早就引起了人们的注意（Kitchen和Zaneveld，1992）。

后向180°体散射相函数是海洋剖面激光探测最重要参数之一。Harmel等在严格的实验室测量规范下，采用3台不同的散射相函数VSF测量仪对标准颗粒物和不同藻类进行测量并理论分析（Harmel等，2016）。其结论是：170°后的散射迅速增加，用传统的150°附近的值外推180°处的值，会导致数倍的误差；不同藻类之间近175°的后向散射相函数差异高达3倍以上。这就对如何利用激光雷达后向散射信号才能更准确地得到其他生物光学参数提出新的挑战。

层化水体的光学模型以及层化效应带来的水色遥感误差是传统难题之一（Gordon，1992；Sathyendranath和Platt，1989），尽管很多人试图利用被动光学手段解决这一问题，但一直没有很好的解决方法（Pitarch等，2014），Churnside（2015）对该问题进行了简明的综述并给出了主被动光学层化剖面模型以及激光雷达探测方法。Mignot等（2011，2014）利用船测和BGC-Argo数据，提出了通过表层叶绿素推算叶绿素极大值深度的经验关系，但该深度与温跃层深度、营养盐剖面、前期光照条件及海洋上层风浪混合等诸多因素夫人独立或共同作用相关。

全球碳循环中的海洋角色，或海水颗粒有机碳含量及初级生产力观测，一直是海洋光学与水色遥感技术发展的重要推动力之一（Stramski等，1999；Suess，1980）。通过激光雷达的水体剖面散射回波信号，可极大地改进气候变化中海洋总有机碳估算的精度，试验表明，加入实测剖面后，NPP估算精度可提升达54%（Schulien等，2017）。利用CALIPSO卫星搭载的大气云与气溶胶激光雷达CALIOP“有限的”海洋次表层剖面探测能力，就有力地证明了空间海洋剖面探测激光雷达对海洋有机碳等重要海洋变量三维观测的有效性，这些结果将有力地推动未来空间激光雷达的发展（Behrenfeld等，2013；Churnside，2014；Churnside等，2013；Hostetler等，2018；Lu等，2014，2016）。

在海洋剖面参数探测与反演方法方面，Churnside、Hostetler、Jamet和Lu等对此做了很好的综述（Churnside和Shaw，2020；Hostetler等，2018；Jamet等，2019；Lu等，2014）；已有研究分别对美国HSRL Lidar（Churnside等，2018，2020；Hair等，2016；Schulien等，2017）、浙江大学的高光谱Lidar（Liu等，2018；Zhou等，2017）和上光所双波长偏振激光雷达（Chen和Pan，2019；Li等，2020）的具体技术及剖面反演进行了深入的探讨。陈鹏等对上光所机载单通道海洋剖面激光雷达（AOL-SIOM）的硬件和南海上层水体30 m剖面数据分析处理方法进行介绍，并对不同Lidar剖面反演方法进行了很好的归纳（Chen和Pan，2019）；李凯鹏等利用上海光机所等联合研制的新型机载双波长剖面激光雷达数据反演出了迄今国际上最深的吸收系数剖面—有效反演数据深达80 m（Li等，2020）。

海洋激光雷达的核心探测参数与被动水色遥感一样，都是水体的后向散射系数，但激光雷达更局限于小角度前向传输（约0°附近）和后向180°散射。由于水分子的散射是固定的值，水体后向散射系数的变化主要取决于水体颗粒物成分的散射（Churnside和Shaw，2020；Gordon，2019；Mobley，1994）。目前，水体后向散射系数的变化，尤其是180°附近的测量数据非常稀少。根据Harmel的结果，不同颗粒物的散射相函数在180°处差异可达10倍（Harmel等，2016）。因此，海洋或水体剖面激光雷达的首要基础研究任务是在水体颗粒物（有机、无机、气泡等）的偏振散射特性及其模型，即水体成分的Mueller矩阵（Voss和Fry，1984）。国际上在这方面的工作十分有限，包括对Voss和Fry（1984）测量结果的参数化（Kokhanovsky，2003），Yang等（2003）对Mueller矩阵对粒子形状与状态的敏感性研究、Svensen等（2011）对不同藻类及其形状与粒子谱的Mueller矩阵测量、You等（2011）开展的清洁水体水下偏振光特性测量与模拟研究以及清华大学深圳研究院马辉团队（Li等，2017）用Mueller矩阵结合神经网络对相似藻类进行分类等工作。

除了水体剖面参数，对于水体表层叶绿素，还可以采用荧光激光雷达探测（Liu等，2008b；孙兰君，2016；阎吉祥 等，2001），传统的532 nm波段的荧光激发效率较低、且685 nm荧光波长的水体衰减很强，导致剖面探测效果欠佳；但随着355 nm或其他蓝光波长如486 nm的技术稳定性提高，荧光激光探测作为一种海洋激光雷达的附加能力用于探测海洋表层叶绿素浓度还是有一定的价值。

目前，利用激光雷达估算生物量的工作，多是采取将激光雷达信号先反演成传统的水色遥感光学参数，如光束衰减系数等，再利用传统模式得到生物量这一过程，显然没有充分发挥激光雷达后向偏振散射信号与生物量的直接关系。要建立这个关系要求更高的基础性理论、仪器设备和高效观测方法，利用CALIPSO CALIOP获得生物量方法，可参见Hu等（2016）。

温度和盐度是海洋最基本的参数。目前，现场仪器，如船载CTD或Argo浮标等，已经发展到全海深测量准确度达到0.001 ℃—0.003 ℃的水平。传统或成熟的海温遥感技术一直停留在皮层温度遥感的阶段，其中红外辐射计探测是10微米厚度，其准确度为0.3 K—0.5 K，微波辐射计探测的是毫米级厚度，其准确度为0.5 K—1 K。可以说，一旦实现水体剖面温度的探测并达到0.5℃左右的准确度水平，也将是海洋遥感技术中革命性的进展。基于布里渊散射的激光雷达就是这样一种可探测水体温盐剖面的“激光探针”。

利用激光雷达探测海洋温度、盐度剖面的遥感技术一旦实现，将使得海洋光学遥感从传统上的生物光学、水质生态等领域，扩展到物理海洋、海洋动力领域，而且是上层海洋剖面的三维海洋动力遥感，因此具有重要的科学与应用价值。

大气温度剖面激光探测技术早已成熟（Behrendt，2005），但针对海洋水体的激光温度剖面测量进展相对缓慢。虽然在40年前（1970年代），国际上就提出了基于拉曼、布里渊散射激光雷达的海洋物理特性（温度、盐度剖面）探测的理论与技术方法（Collins等，1984；Leonard和Sweeney，1988，1990），但布里渊技术受到单频激光器、高精度频移—谱宽检测等工程技术的限制；拉曼技术受到复杂水体成分固有的物理与生物化学光谱特性的影响、微弱信号检测能力等限制，这两项技术至今未有成熟的船载、机载和星载激光水体温度剖面遥感器。

激光在水中传播时的散射，从不同探测机理和应用层面，可分为4种：水分子的瑞利散射（Rayleigh）、水溶胶或悬浮大颗粒的米散射（Mie）、拉曼散射（Raman）、布里渊散射（Brillouin）。拉曼散射和布里渊散射激光雷达都可以测量水体温度和盐度剖面（图7），且又都可分为自发的（Spontaneous）和受激的（Stimulated）散射（在下文中的布里渊散射均指自发布里渊散射，除非特指受激），有关自发与受激布里渊/拉曼光谱探测技术的比较可参见（Leonard和Sweeney，1990）。

海洋遥感是全球海洋渔业可持续开发利用和资源管控的重要技术支撑手段之一。在激光雷达技术出现之前，尤其在星载CALIPSO激光雷达之前，除了高分辨率光学和机载激光雷达对大型海洋哺乳动物的观测之外（Ketten，2002），海洋遥感技术对海洋鱼类、微生物等的活动遥感观测基本上都是间接的，通过对其生存环境要素的遥感，如水色（浮游植物、营养状况）、水温图像及海面高度基础上的锋面、洋流、水团、重构的三维温盐场等分布情况的探测，对生物分布及其活动规律进行观测预报（Klemas，2013；樊伟 等，2005；水色学概览编写组，2019；陈雪中和樊伟，2015；雷林，2016）。

传统的海洋光学水色遥感技术，对夜间等弱光条件下海洋生物活动的剧烈变化以及极区极夜生物与生态变化无法感知，激光雷达的出现，将大大弥补传统被动光学手段的不足（Behrenfeld等，2017，2019）。与被动光学的积分式后向漫射光场遥感相比，海洋剖面激光雷达对水体中的浮游植物（粒径在0.5—1000 μm）、浮游动物（2 μm— 1 cm）、游泳动物（>1 cm，1 cm—33 m）、水下人工目标（0.3 m—200 m）等的分层回波信号，是一种更加直接的生物体和目标探测信号。有关海洋浮游生物及水体中各种颗粒物的粒径分布，可参见Stramski等（2004）文献。

本文仅就鱼群探测、海洋生物的日夜迁徙、极区生物的月季变化等极轨激光雷达可泛在探测的生物群体活动相关应用的探测需求与方法进行简述，并对后续需要配合激光雷达遥感器及其生物活动数据的现场观测与真实性检验技术等进行讨论。值得指出的是，应用于大型鱼类和海洋哺乳动物的激光雷达探测技术也具有很高的军事海洋应用价值，如潜器等。

利用水色、红外遥感技术对典型海洋动力过程，如涡、锋面、洋流、内波等的水平分布探测，已是比较成熟的技术。但对次表层动力过程，包括上文提到的温盐密跃层，如内波的深度、涡旋的垂直结构等的直接探测，目前看来也只能由剖面激光雷达来实现。利用激光雷达探测水平或水下动力过程，主要基于以下3种探测机理：

一是由于海洋水体分层界面，即所谓各种跃层处，往往是浮游生物活动、碎屑沉降的富集之处（水平方向也是如此），因此由分层水体扰动所产生的内波（IW，Internal Waves，也称内孤立波Internal Solitory Waves），可以从激光雷达的后向散射信号中明显分辨出来（Alford等，2015；Churnside等，2012；Dolin和Dolina，2014）。

二是不同流动速度和流动方向的水体及其与周边水体的相对运动，在边界处产生剪切，使得极不规则的水体颗粒物的取向有了很大的改变，从而导致其与自由运动时的散射截面及偏振特性产生很大的变化（Marcos等，2011）。

三是利用水体颗粒物运动导致的激光多普勒频移（张洪玮，2019），但该方法由于频移极小的原因，尚难以实现剖面分层测量。

次表层的内波，是水平空间尺度上从1 —1000 km、时间尺度上从分钟—小时级、垂直深度从十米到千米量级的巨大跃层变化过程，其携带的能量也是惊人的，对水中构筑物（如钻井平台、钻杆等）、水下潜航器的航行安全等有灾难性的后果。中国南海北部、吕宋海峡附近就是全球海洋的内波高发区（Alford等，2015）。

传统上，利用微波合成孔径雷达SAR（Alpers，1985；da Silva等，2015；Thompson和Gasparovic，1986；Wang等，2016；Xue等，2013）和光学成像仪的太阳耀斑图像（Chen等，2020；Cox和Munk，1954；Hu，2011；Wang和Bailey，2001）可以获得内波的波长等水平参数，进而推导出内波其他参数。但水下或次表层垂向信息除了激光雷达外，其他遥感手段难以直接获得。

早在1970年代中期，美国的Walker等（1982）就利用船载激光雷达证明了激光雷达海洋内波探测的可行性。

NOAA在一个地形复杂、水深小于20 m的浅水湾水域，开展 了多个架次的航空激光雷达内波观测试验，配合普通的民用数码相机（Nikon D300+18—200 mm镜头）记录海面影像以便对激光雷达沿航迹内波参数观测进行比对分析（Churnside等，2012），现场以温盐深剖面仪（Seabird CTD）和固有光学测量仪器（Wetlabs AC9）做配合测量，以便确定导致内波的水体分层结构及浮游生物散射层与内波界面之间的关系。尽管试验装备非常简单，但却在激光雷达剖面特性分析、线性内波的波长及能量谱计算、内波能量的剖面湍流耗散等方面给出了重要的应用结论。

俄罗斯科学院应用物理研究所Dolin & Dolina系统地发展了一套激光雷达信号内波探测的理论，并利用现场CTD及光吸收散射数据模拟仿真了内波对激光雷达信号的影响，但其理论实用性的检验未见正式文章（Dolin等，2012；Dolin和Dolina，2014，2020）。

Marcos等（2011）利用专门的试验装置研究了海水流动对浮游植物等非球形粒子取向的影响其散射信号的变化，散射信号变化原理和实验室装置参见图10所示，其中各种粒子可近似为等效椭球体，当一个椭球体方向是随机分布、还是近似与流向对齐时，其等效散射截面积有很大的变化，从而导致实验中前向/后向偏振散射数据高达10%—30%的变化。

海水中粒子的长宽比（Aspect Ratio）越大，海流对其影响就越大。而海水中病毒、细菌、藻类的长宽比可在1∶1—1∶10之间变化，参见表3（Stramski等，2004；Stramski和Kiefer，1991）。

McFarland等（2020）对长宽比差异较大的甲藻在水体中的方向及其对光吸收的影响也做了理论分析和试验测量，其光衰减的影响量高达24.5%。

这些初步的研究，给人们利用激光探测自然水体的运动和湍流扰动提供了很好的指引，但仍需深入细致地开展全矢量化（偏振）光学特性与现场光学显微成像对比测量等具有很大挑战性的基础工作。

界面问题作为任何电磁波探测的基本问题和难点问题，对海洋剖面的激光探测、被动光学上表层遥感都具有重要的影响；同时，高垂向分辨率的海洋剖面激光雷达，可为海气边界层参数的探测提供不可替代的技术手段。海气界面的研究主要集中在以下几个方面：

（1）海面粗糙度及海面风速（Hu等，2008；Klotz等，2020；Lancaster等，2005；Menzies等，1998；吴东等，2012b）；

（2）海气交换速率（吴东 等，2012a）；

（3）气泡层及其对主被动光学遥感探测的影响（Churnside，2010；Flatau等，1999，2000；Zhang等，1998，2002；杨倩和贺明霞，2012；王向伟 等，2010）；

（4）近海表飞沫（Spray and droplet）（Fairall等，2014；Hooper和James，2000）；

（5）海雾探测（Wu等，2015；赵耀天和吴东，2020）；

（6）海洋边界层温度梯度估算（Wu等，2008）等。

（1）浅海地形测绘与水下目标探测。激光雷达浅海地形测绘与水下目标探测（Li Y等，2019；Parrish等，2019；彭志兴 等，2018；王林振 等，2017；胡善江 等，2018；胡群星，2018），星载激光海面高度与测地学应用（Diaz等，2013；唐新明和李国元，2019）等应用，受主题和篇幅的限制，不在此展开。

（2）激光、水声与跨介质通讯。充分利用海洋中水声远距离传播与光学高速和精细化的通讯与测量一直是海洋领域的梦想，这个过程中，最主要的问题是跨海气界面与水体剖面的激光传输问题（何奇毅和宗思光，2019；周田华，2012；周田华 等，2010；贺岩 等，2016；陈世哲 等，2016）

在跨海—气界面水下声学信号感知方面， Churnside（2015）利用激光雷达探测水面气泡对水声振动的响应；还曾利用水面波纹探测水下强声源（Churnside等，2008）。

1990年代，随着水色遥感的发展，Zaneveld等（1989，1994，1995）提出了海洋光学中的表观光学量（AOPs）与固有光学量（IOPs）之间的闭合问题。被动水色遥感中的闭合问题已基本得到解决，其中包括Lee等（2002）提出的QAA算法及后续的改进算法。

随着激光剖面探测技术的发展和深入，由于主动激光探测的方式是基于近180°小角度范围后向散射及其偏振信号，而不是一般传统海洋光学遥感的标量（无偏振）漫射光场。因此，激光探测的信号及其反演参数，如何与传统水色或被动光学测量或遥感参数之间建立高精度的定量化关系，成为一个核心的基础性问题。我们将此问题称为主被动光学参数的关系问题（或第二类闭合问题，Closure-II Problem），主要包括以下几个方面：

（1） 180°后向散射的测量技术及其与其他角度散射的关系。尽管传统光学（水色）和激光雷达遥感探测的都是后向散射信号，但传统水色基本是一个大角度范围的后向散射问题，在建立遥感反射比R_rs（Remote Sensing Reflectance）与后向散射b_b和吸收a之间的函数关系时，即R_rs=f（b_b/（a+b_b）），人们过去测量后向散射是利用120°（如Wetlabs BB9）或140°（如Hobilabs HS6）的值代表后向散射的平均效应。但在海洋激光雷达遥感中，探测的是180°附近极小角度的后向散射，但这个角度散射特性很少有人测量，不同藻类和无机颗粒物的180°偏振散射特性知之甚少。直到2000年后，才出现可在现场测量大于175°的体散射相函数测量仪器，其中Lee和Lewis（2003）测量角度范围为0.6°—177.3°，Shao等（2006）的角度范围为0.5°—179.5°，Chami等（2014）的为1°—179°，郭乙陆等（2020）等的为3°—178°。

这些测量仪器，可以有效解决近180°后向散射快速增加、从150°处外推存在数倍误差的问题（Harmel等，2016）。

（2） 激光偏振散射与复杂颗粒物水体Mueller矩阵测量。一般而言，由于激光信号是偏振的，因此，是矢量辐射传输问题。其中最基本的问题是海水介质（含复杂颗粒物的水团）对激光信号的响应，也就是含颗粒物小水团的Mueller矩阵的现场测量或采水样后在实验室内的测量与分析。

迄今，海洋水体Mueller矩阵实测数据非常稀少，经典的数据为Voss和Fry（1984）；Svensen等（2011）对不同藻类的Mueller 矩阵进行了测量与分析。其他有关Mueller 矩阵测量原理与技术的文献，还可参考Chipman（1995，2010）；Hovenier（1994）；Savenkov（2015）等。

（3） 激光直接探测与反演水体生物光学参数的真实性检验。

原理上，水体分层激光后向偏振散射信号，携带了比被动光学标量后向散射更多的颗粒物特征信息，但目前缺乏深入的、精细化的、系统性的试验测试与分析，这需要开展大量的基础性工作。

激光信号与传统海洋光学参数的一些模型和关系、初步的真实性检验等工作，可参见：海洋颗粒物后向散射系数b_bp（Behrenfeld等，2013）、漫衰减系数K_d（Hill和Zimmerman，2010）、光束衰减系数c（Churnside等，2013）等。

在被动光学遥感（水色）的发展过程中，Mobley等所形成的水体光学模拟仿真软件系统工具Hydrolight发挥了极其重要的作用（Mobley，1994），基于该软件工具，新人得以快速入门并开展研究工作、高级究人员基于模拟仿真结果已发表了数以千计的高级别论文。但基于激光雷达的主动海洋光学剖面探测，截止目前，还没有得到行业认可的、普遍可用的商业化软件工具。中国几乎所有的海洋激光雷达遥感团队，都有自己的Monte Carlo或类似的模拟仿真工具，但从软件工程的角度来看都不尽成熟。如果能尽快推出海洋与大气剖面一体化模拟仿真软件，将是对国际激光雷达海洋遥感的重要贡献。

国内外在海洋激光辐射传输模型和Monte Carlo模拟仿真方面已开展了大量的工作。本文主要关注可适应于任意水体层化、海气界面特性和其他边界条件的真三维光场、带偏振或矢量化Monte Carlo模拟的少数代表性工作进行简要归纳。

美国迈阿密大学的Gordon等（1975，1982）利用Monte Carlo方法模拟海水的辐射传输过程，证明均匀海水中固有光学特性与表观光学特性存在一定的关系，通过分析多次散射的影响，证明激光雷达消光系数依赖于激光雷达系统的参数与水体的光学特性。

美国TAMU大学George W. Kattawar团队在海洋、大气、生物光学等Monte Carlo模拟仿真方面处于国际领先地位，并且很早就开始了有关海洋偏振激光雷达信号的模拟仿真工作（Adams和Kattawar，1997；Rakovi?等，1999），建立了较为完备水体偏振光学理论与模型。他们在美国海军研究办公室（ONR） Radiance in a Dynamic Ocean （RaDyO）项目的支持下，开发了兼顾被动与主动光学探测、包含大气—海气界面—海洋的真三维矢量Monte Carlo模拟仿真系统，其光源和探测器可以处于介质中的任意位置（You等，2009；Zhai等，2008b，2008a）；Chen（2016）后续又开发了一套后向散射Monte Carlo模型，可用于海洋水体及生物体组织中的偏振光场模拟。Adams等（2002）利用Monte Carlo方法对在地中海测得的辐射度和偏振度进行模拟，证明了Monte Carlo方法可以模拟偏振光在水下的传输。

Stegmann等（2019）利用优化的矢量化Monte Carlo求解程序，模拟激光雷达光束在由大气层、上层海洋层以及粗糙海洋表面组成的大气—海洋耦合模型中的传播过程，研究球形浮游植物形态变化在激光雷达衰减后向散射和退偏比的垂直分布。Walker 和 Mclean利用Monte Carlo方法对光束扩展函数的解析模型进行模拟验证，提出了具有多重散射光束扩散和脉冲展宽的激光雷达方程，适用于各种激光雷达在海洋环境（浊度和测深）和云（气溶胶散射）的研究应用（McLean等，1998； Walker和McLean，1999）。

俄罗斯大气光学研究所的Krekova等（1994）借助Monte Carlo方法模拟机载激光雷达探测鱼群，研究激光雷达探鱼返回信号的谱线形状规律；Krekov等（1998a，1998b）利用Monte Carlo方法对激光雷达返回信号的深度剖面和偏振特性进行了模拟，并计算了不同类型水体的激光雷达返回信号偏振特性，证明了偏振激光雷达在检测不同来源的非均匀水体的可行性。

中国科学院上海光学与精密机械研究所的梁波等（2007）基于蓝绿激光穿过大气海洋的信道效应和物理特性，利用Monte Carlo方法实现对光信道的仿真。自然资源部第二海洋研究所的Chen等（2019a）提出了改进的Monte Carlo辐射传递模型，该模型适用于非均匀的水体，可有效解决复杂的散射相位函数，显著提高建模精度；利用半解析Monte Carlo方法模拟激光在非均质海水中浮游生物层内的传程过播，通过分析水体的光学特性、多重散射、风力驱动的海面状况以及激光雷达入射角的影响，证明激光雷达消光系数取决于激光雷达系统的视场（Chen等，2019b）。中国海洋大学刘秉义、孔晓娟等针对海水中激光传输时复杂的多次散射效应问题，利用基于统计权值的半解析Monte Carlo方法，对不同水体条件下船载激光雷达的水下光场分布进行模拟，并与HydroLight软件的模拟结果及Z. P. Lee的结果（Lee等，2005）进行比对以证明其可行性（孔晓娟 等，2020）。浙大的刘东团队利用半解析Monte Carlo方法建立了高光谱激光雷达剖面信号、激光雷达衰减系数与海水深度、海水固有光学特性之间的关系，为星载海洋激光雷达反演海水固有光学特性提供了方法（Liu等，2018，2019b，2019c；崔晓宇 等，2020），利用Monte Carlo仿真模型开展了多次散射效应对HSRL回波光谱影响的研究，证明多次散射导致的光谱变化对HSRL反演的影响相对较小，HSRL光谱鉴频原理在多次散射条件下仍然可靠（Zhou等，2019）；对其偏振海洋激光雷达Monte Carlo辐射传输模型利用船载实测结果进行了检验（Liu等，2019a；Zhou等，2019）。

2016-12，青岛海洋科学与技术试点国家实验室（以下简称“海洋国家实验室”）首次提出“观澜号”海洋科学卫星计划（Chen 等，2019），其主要特点是：

（1）科学应用目标。主要面向3个方面：1）海洋涡动与能量级联；2） 海洋跃层与全球变化；3） 海洋生命与生态变化。

（2）遥感技术创新。1） 探索实现“海洋三维遥感”，支撑“透明海洋”、观测体系，2） 突破海洋涡旋及相关亚中尺度过程探测技术；3） 突破上层海洋百米级剖面遥感探测技术；

（3）主要载荷为主动微波与主动光学相结合：1） 主动微波载荷：长基线（≥12 m）、Ka+Ku雷达干涉成像仪系列；2） 主动光学载荷：海洋剖面激光雷达系列。相关辅助载荷为：传统星下点高度计、水汽校正微波辐射计；轻型水色仪等。

（4）工程计划目标。在中国海洋业务应用卫星的基础上，开启海洋科学卫星系列计划，形成中国空间海洋观测领域业务应用卫星与科学卫星双驱动发展模式；未来10年计划发射3颗卫星；技术与科学探索试验小卫星争取在2023年前后发射，寿命1—2 a，完成载荷关键技术与指标验证和初步科学应用；综合大卫星争取在2025年前后发射，寿命3 a。

总体上，观澜号海洋科学卫星系列，是面向海洋科学前沿需求，争取在国际上率先突破新一代“海洋三维遥感”技术，为国际海洋观测提供中国解决方案。观澜海洋科学卫星的探索性技术，将逐步转化到业务应用卫星中，支撑国家海洋遥感事业的发展。

目前，卫星平台及长基线展开机构、载荷相关关键技术攻关已取得重大进展，工程总体方案及技术路线初步确定，两个主载荷的数字样机、原理样机校飞已经完成并取得了重要创新成果，其中蓝绿双波长海洋剖面激光雷达的机载校飞试验及其结果（图11），可参见李凯鹏等对研究（Chen和Pan，2019；Li等，2020）。

观澜卫星计划也对系列化空间海洋剖面探测激光雷达发展做了一个发展规划，总体上，在15—20年的时间里，按照技术复杂度，从单波长总散射双偏振星载激光雷达的技术试验开始，逐步发展蓝绿双波长总散射偏振、高光谱分辨率、布里渊温盐剖面、多波束海洋剖面激光雷达等。

针对海洋剖面探测，观澜卫星在国际上首次提出在传统成熟的532 nm通道的基础上，增加486.1 nm夫琅禾费暗线蓝光通道，结合平行与交叉偏振信号，形成一个蓝绿双波长多偏振海洋剖面探测激光雷达D-OPL（Blue-Grean Dual-bands Ocean Profiling Lidar）。

这种设计的优点是：（1） 486 nm大洋穿透深度大大优于532 nm（Chen 等，2019），而532 nm在近岸浑浊水体的穿透深度更大，这样就更好地兼顾了大洋和近岸水体剖面的激光探测、稳定成熟技术与先进技术的平衡；（2） 486.1 nm夫琅禾费暗线通道可有效降低白天探测的太阳背景光，有利于提高白天探测的信噪比（Wu等，2016b）。

该设计的风险在于尚没有稳定有效的空间激光技术获得大功率、高稳定、长寿命的486.1 nm激光光源。

上海光机所基于这种理念设计和研制的机载双波长海洋剖面激光雷达，在国际上首次获得了近百米的海洋剖面信号。