2024年11月28日是欧空局和空客对EarthCARE调试阶段的审查，该阶段验证了卫星的所有系统是否在轨道上运行良好。让我们重点介绍EarthCARE最先进仪器的内部工作原理，以及空客设计和制造的世界上唯一可运行的紫外大气激光雷达Atlid。该仪器的数据对于科学家更好地了解和监测气溶胶和云在多年来影响气候变化中的作用至关重要。
你说激光雷达？但它是什么？
LiDAR代表光探测和测距。解释它的工作原理相对简单：它向表面发射激光脉冲，并捕获反射回来的光——回声——回声返回所需的时间用于测量到目标的距离。但将这项技术应用于太空和EarthCARE任务的科学需求是另一回事，这促使空客工程师开发了一种在紫外光下工作的大气激光雷达。为什么是紫外线？因为这是探测大气中气溶胶的最佳波长。
太空中的大多数光学仪器都是被动的，拍摄太阳照射下的场景。阿塔里是一种“主动”仪器，这意味着光源是激光器本身，它发出短脉冲。这些波从大气和云层中反弹，产生由光子组成的回波，然后被接收。
优于微秒精度
分析这些来自大气中漂浮的微小粒子的微弱回波需要能够计数单个光子的极其强大的发射器和接收器系统。这些数字令人难以置信。空中客车阿塔里系统经理威利（Géraud de Villele）解释说：“激光雷达每秒发射一次光脉冲并记录51次回波。每次回波衰减1015倍，这意味着我们发送10亿次100万个光子，只捕获一个。”最后，Atlid激光雷达激光器在接收望远镜中只恢复了几百个。
从发送波到返回波之间的延迟不是几分钟或几秒，而是几毫秒。德维勒解释说：“光在1毫秒多一点的时间内传播到大气中400公里的距离，因此我们在激光发射脉冲后3毫秒触发采集，然后我们精确地记录大气回波，就像我们在一个100米厚的巨大垂直蛋糕中切割大气一样。”。
但阿塔里的能力并不局限于大气的垂直采样，它远不止于此。该仪器还分析了大气中每片空气反向散射的少量光子。它在355nm的紫外范围内工作，配备了一个高光谱分辨率滤光片，可以分离米氏和瑞利信号（是两种不同的光散射现象，它们在物理特性和应用场景上有显著的区别。
米氏散射（Mie scattering）：当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射。这种散射主要由大气中的微粒，如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。米氏散射的散射强度与频率的二次方成正比，并且散射在光线向前方向比向后方向更强，方向性比较明显12。瑞利散射（Rayleigh scattering）：当微粒的直径远小于入射光的波长时发生的散射。瑞利散射光的强度与入射光波长的四次方成反比，散射光强按空间方向成哑铃形角分布。瑞利散射没有能量变化，散射光波长与入射光波长相同），并根据波长和偏振对光子进行分类。它使得在这种反向散射中精确量化大气污染或自然（沙子、灰烬等）排放的气溶胶、液滴或灰尘成为可能。
激光雷达激光不会穿过厚厚的云层，但它可以评估细小卷云的透明度，并提供云顶的信息。它还测量云层的高度以及它们在高层或低层大气中的移动方式。
Atlid与另一种可以深入云层的仪器云分析雷达（CPR）协同工作。这两种仪器能够探测大气，给出深度的概念，就像海洋中的声纳一样。这是世界上第一个在EarthCARE上安装这两个有源仪器，提供测量的实时协同作用。
(翻不了，我承认我是个废废，有大神能帮忙翻一下）
大气激光雷达在太空中的挑战
激光雷达技术用于地球上的许多应用，从重建3D空间，比如房地产经纪人对房屋内的房间进行精确测量，到测量森林的高度。地球上的此类系统通常不关注光回波特性，而是更关注时间，不必调查400公里外的遥远目标。
在太空中使用激光雷达的要求要高得多。由于你必须分析400公里外的信号，你需要检测系统的超高灵敏度。然后，激光源必须每天24小时运行，每20毫秒发射一次，因此每天超过430万次，一旦进入太空就不可能进行维护。
由于其连续运行，激光器在需要高稳定性的同时消耗高热功率。德维勒解释说：“我们设计并集成了一个冷却系统，该系统提取激光发出的热量，并将其引导到一个大型散热器中，该散热器在太空中与冷空气交换热量。”。“内部必须有一定的热稳定性，大约0.5度，以避免与热弹性问题相关的变形。”
另一个挑战是管理数十个小型光学器件附近的高耗散源，这些光学器件必须在微米（微米是千分之一毫米）内保持整个任务的对齐。为了不丢失任何珍贵的捕获光子，发射激光器和接收望远镜使用自动共对准保持对齐。
向阿拉丁风激光雷达学习
与欧空局风神风廓线卫星上使用的激光雷达Aladin相比，Atlid是第二代激光雷达的一部分，但从它的哥哥那里吸取了教训。
大气激光雷达信息图
与卫星上所有单元都暴露在真空中的大多数仪器不同，Atlid仪器的激光单元处于加压大气中。德维勒说：“这有两个原因。第一个原因是重建与地面测试相同的大气压。第二个原因是避免污染效应，这可能会使暴露在真空中的高功率紫外激光光学器件变黑。”。
此外，接收回波的光学系统与发射激光脉冲的光学系统是分开的，因此受到保护，免受高功率通量的影响。