NASA的ICESat-2：用激光雷达精准测量地球

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NASA的ICESat-2：用激光雷达精准测量地球

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https://m.blog.csdn.net/chenguizhenaza/article/details/112181478

https://blog.csdn.net/Chimmy_mom/article/details/139469972

https://blog.csdn.net/gitblog_00939/article/details/142042254

https://zhidao.baidu.com/question/2064537156654051067.html

https://www.opticsjournal.net/Articles/OJa3b7f341138abe75/Abstract

http://www.itpcas.ac.cn/new_kycg/new_kyjz/202410/t20241009_7395536.html

https://cn.oejournal.org/article/doi/10.12086/oee.2024.240037

https://www.ams-journal.org.cn/website/article/doi/10.12362/j.issn.1671-6647.20240429002

https://www.chinaerospace.com/article/43736

10.

https://www.ygxb.ac.cn/zh/article/doi/10.11834/jrs.20222120/

2018年9月15日，美国国家航空航天局（NASA）成功发射了ICESat-2（Ice, Cloud, and land Elevation Satellite-2）卫星，这是继2003年ICESat卫星之后，NASA在地球观测领域又一重大突破。这颗卫星搭载了先进的ATLAS（Advanced Topographic Laser Altimeter System）激光雷达系统，能够以前所未有的精度测量地球表面的高程变化，为科学家们提供了前所未有的地球观测视角。

ATLAS激光雷达系统的工作原理

ATLAS激光雷达系统是ICESat-2的核心载荷，其设计精妙而复杂。系统每秒可发射10,000个激光脉冲，每个脉冲持续时间不到1.5纳秒，能量在0.2到1.2毫焦之间可调。激光器发出的光波长为532纳米，属于人眼可见的绿光范围，这是因为单光子探测器在这一波段的效率最高。

激光脉冲通过衍射光学元件被分成六束，形成三强三弱的光束对。这种设计考虑到了激光器的功率限制和不同反射率目标的需求。强光束用于低反射率目标，而弱光束则足以满足高反射率目标的探测需求。

发射后的激光脉冲经过约500公里的太空旅程到达地球表面，每个光斑直径约为17米。由于ICESat-2的轨道速度约为7公里/秒，每个激光脉冲在轨道方向上的间隔仅为0.7米，这意味着光斑之间会有重叠，从而提高了沿轨道方向的空间分辨率。

接收系统配备了一个0.8米口径的卡塞格林望远镜，专门针对绿光进行了优化。望远镜将回波光聚焦在焦平面上，通过光纤耦合进对应的回波光束。系统还包含了带通滤光片和标准具滤光片，用于精确过滤和匹配激光波长，确保信号的纯净度。

数据处理与技术挑战

尽管ATLAS系统设计精良，但在实际应用中仍面临一些技术挑战。其中最显著的是"后脉冲"现象，这会严重影响数据的准确性。"后脉冲"是指激光器在主脉冲发射后，由于各种原因（如激光器内部的热效应）产生的延迟脉冲。这些延迟脉冲会与主脉冲的回波信号混合，导致数据解析困难。

为了解决这一问题，科研人员开发了反卷积算法。他们首先使用盐沼和沙漠数据建立了系统脉冲响应函数，通过分析ex-Gaussian拟合结果，发现使用沙漠和盐沼数据建立的系统脉冲响应函数脉宽分别为0.095和0.142，相差0.047。通过质量控制方法，这一差异可以降低到0.002，从而显著提高了数据的准确性。

应用案例：冰川监测与气候变化研究

ICESat-2的主要任务之一是监测地球上的冰川和冰盖变化。通过精确测量冰川表面的高程变化，科学家们能够估算冰川的融化速度和质量损失。这些数据对于预测海平面上升和理解气候变化具有重要意义。

为了方便科研人员处理和分析ICESat-2的数据，NASA支持开发了icepyx这个Python库。它提供了从数据查询、下载到预处理的完整解决方案，支持智能查询系统，能够针对特定地理位置和时间范围精确检索数据。此外，icepyx还支持与其他相关数据集的集成查询，如Argo浮标数据，为研究全球水文循环和海洋生态系统提供了便利。