“這個太復(fù)雜，你的技術(shù)路線風(fēng)險太高。”美國宇航局（NASA）幾位遙感載荷專家的反應(yīng)出奇一致。

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

“因為都是同行，表達得比較委婉?！标愋l(wèi)標自嘲說，“風(fēng)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(wèi)星“大氣一號”發(fā)射成功，意味著我國已率先實現(xiàn)全球溫室氣體和氣溶膠高精度激光遙感探測。陳衛(wèi)標憑借在星載激光雷達及其關(guān)鍵激光器國家重大工程中的突出貢獻，獲得第三屆全國創(chuàng)新爭先獎。

交出“答卷”

近日，“大氣一號”交來一份“優(yōu)秀答卷”——人類首次獲得全球兩極地區(qū)及全球夜晚的二氧化碳柱濃度，初步比對精度優(yōu)于1ppm。

“大氣一號”發(fā)射前，距地球700公里的軌道上已有一顆美國的氣溶膠探測衛(wèi)星在工作。那顆衛(wèi)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(shù)更精準地探測氣溶膠，并且要在一顆衛(wèi)星上實現(xiàn)“污（氣溶膠）碳（二氧化碳）同測”。

陳衛(wèi)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，“減排降污”的經(jīng)濟發(fā)展途徑迫切需要我們掌握全球高精度碳分布的基本數(shù)據(jù)。

“大氣一號”這一全球首顆主動激光雷達二氧化碳探測衛(wèi)星的主動激光雷達載荷，采用路徑差分吸收和后向散射高光譜探測體制，可以獲取全球大氣二氧化碳柱狀濃度、云和氣溶膠的垂直分布信息，進行污染監(jiān)測和二氧化碳柱濃度監(jiān)測。

艱辛答題

國際上普遍認為，要區(qū)分碳源和碳匯，需要達到0.3%的質(zhì)量精度，即小于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?！标愋l(wèi)標說，“我們提出主動測量法，即在衛(wèi)星上發(fā)出激光，再通過地表反射的激光進行定量測量。但這個新技術(shù)方案能否精確到1ppm需要用數(shù)據(jù)證明?！?/p>

這就要求在發(fā)射衛(wèi)星前，先在實驗室模擬出大氣環(huán)境，證明載荷測量精度能達到要求。為此，陳衛(wèi)標團隊建立了一個二氧化碳吸收池——長約40 m、直徑300 mm的管狀實驗裝置，然后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(shè)備的響應(yīng)變化率。

美國氣溶膠測量衛(wèi)星CALIPSO在700公里的衛(wèi)星軌道上，延壽運行到今年為止。中國之所以也發(fā)射到700公里軌道，一是因為能和原來的數(shù)據(jù)進行比對，二是因為如果CALIPSO停止運行，中國衛(wèi)星補上去，全球大氣觀測數(shù)據(jù)能得以延續(xù)。

陳衛(wèi)標表示，700公里軌道太高，要保證激光從衛(wèi)星“打”到大氣中再返回衛(wèi)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(wěn)定，一旦不穩(wěn)就無法判斷是大氣濃度變了還是激光頻率變了。

“傳統(tǒng)激光技術(shù)存在一個矛盾——能量大的時候，頻率穩(wěn)定度就保證不了?！标愋l(wèi)標說。

陳衛(wèi)標團隊為此發(fā)明了一套激光穩(wěn)頻技術(shù)和一套逐級能量放大技術(shù)，完美解決了上述兩大難題，這是國際上第一次在一臺激光雷達中實現(xiàn)多波段頻率穩(wěn)定和高能量輸出，以實現(xiàn)多要素的高精度探測。

“少‘打’一顆衛(wèi)星上天，對國家來說可以節(jié)省很多成本?！标愋l(wèi)標解釋說，“設(shè)計方案的時候我們分析過，測量二氧化碳的短波紅外激光是通過近紅外激光產(chǎn)生的，而剩余的近紅外激光可以再轉(zhuǎn)化為可見光，所以讓一套激光系統(tǒng)發(fā)揮兩種功能不是完全不可能?！?/p>

此外，激光雷達的接收需要1 m口徑的望遠鏡，在1個接收望遠鏡中巧妙分出若干個通道，其中3個專門測霧霾、兩個專門測二氧化碳，這就完美解決了“污碳同測”問題。

準備“領(lǐng)跑”

從飽受質(zhì)疑到腳踏實地做出實事，陳衛(wèi)標感受頗深。他認為，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。

“我們處于一個重大科技變革期，全社會對科技的期望非常高?！标愋l(wèi)標說，“這需要我們認真思考，什么樣的科技才能真正支撐國家發(fā)展。”

陳衛(wèi)標認為，在科研選題方面，我們正面臨“熱”和“冷”的選擇?！袄洹笔侵敢恍把a短板”的研究，這些研究即使不是熱點，但只要是國家發(fā)展“痛點”，就值得做好攻關(guān)；在“熱”的方面應(yīng)該自信自強，將前沿?zé)狳c的“極限”做出來，真正引領(lǐng)學(xué)科、技術(shù)的發(fā)展，為科技轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)變革奠定基礎(chǔ)。

“我們即將參加一個國際學(xué)術(shù)會議，到時會見到NASA的朋友。我們會作專題報告，告訴他們我們已經(jīng)拿到全球激光雷達測量數(shù)據(jù)了?！标愋l(wèi)標自豪地說。