“這個太復雜，你的技術路線風險太高。”美國宇航局（NASA）幾位遙感載荷專家的反應出奇一致。
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“二氧化碳高精度監測激光雷達”項目提出意見。
“因為都是同行，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先獎。
交出“答卷”
近日，“大氣一號”交來一份“優秀答卷”——人類首次獲得全球兩極地區及全球夜晚的二氧化碳柱濃度，初步比對精度優于1ppm。
“大氣一號”發射前，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，并且要在一顆衛星上實現“污（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，“減排降污”的經濟發展途徑迫切需要我們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，進行污染監測和二氧化碳柱濃度監測。
艱辛答題
國際上普遍認為，要區分碳源和碳匯，需要達到0.3%的質量精度，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。”陳衛標說，“我們提出主動測量法，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。為此，陳衛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，逐步驗證設備的響應變化率。
美國氣溶膠測量衛星CALIPSO在700公里的衛星軌道上，延壽運行到今年為止。中國之所以也發射到700公里軌道，一是因為能和原來的數據進行比對，二是因為如果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公里軌道太高，要保證激光從衛星“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。
“傳統激光技術存在一個矛盾——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生的，而剩余的近紅外激光可以再轉化為可見光，所以讓一套激光系統發揮兩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“領跑”
從飽受質疑到腳踏實地做出實事，陳衛標感受頗深。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。”陳衛標說，“這需要我們認真思考，什么樣的科技才能真正支撐國家發展。”
陳衛標認為，在科研選題方面，我們正面臨“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，但只要是國家發展“痛點”，就值得做好攻關；在“熱”的方面應該自信自強，將前沿熱點的“極限”做出來，真正引領學科、技術的發展，為科技轉化和產業變革奠定基礎。
“我們即將參加一個國際學術會議，到時會見到NASA的朋友。我們會作專題報告，告訴他們我們已經拿到全球激光雷達測量數據了。”陳衛標自豪地說。
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