ICESat-2—用单光子激光雷达从太空测量地球表层高度
本博客转载知乎（【技术·航天】ICESat-2—用单光子激光雷达从太空测量地球表层高度 - 知乎）
了解地球、认知地球，是人与自然和谐共处的前提；精确测量、智能感知，是科学家孜孜追求的目标。2018年9月15日，美国NASA发射了第二代对地观测激光雷达卫星ICESat-2（Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite-2）冰、云和陆地高程”2号卫星。与上一代相比，新卫星采用了量身定制的光子计数激光雷达探测系统，也就是人们常说的单光子激光雷达，一举步入光量子探测时代，让我们得以更加精确高效地观测极地冰盖变化、全球海面上升、全球植被高度等，为人类认知地球打开了一扇崭新窗户。
ICESat-2卫星当然不是唯一的配备星载激光雷达的航天器。
它的前辈ICESat从2003年至2009年就将其激光雷达（称为地球科学激光测高仪系统，缩写为GLAS）
观测用于定量分析冰盖和海冰的变化速率，并在极地冰雪遥感应用等方面展示出了无可比拟的优势。
美国NASA于2006年发射的“云-气溶胶激光雷达和红外探测卫星”（缩写CALIPSO）
搭载的则是“带偏振的云气溶胶探测激光雷达”，它能提供全球的气溶胶、云层的时空分布特性，
为研究沙尘输运、火山灰传输、卷云和混合相云特性提供了宝贵的数据支持。
此外比较知名的星载激光雷达还有探测风场的ALADIN雷达、NASA/LaRC星载差分吸收雷达、
月球观测Clementine系统、火星勘探者的MOLA-2系统、观测空间小行星的NRL系统、后向散射雷达ATLID等。光子测量更加灵敏
激光雷达（LiDAR）全称为激光探测和测距（Light Detection and Ranging），它通过测定激光在传感器与目标物体之间的传播距离，结合测量平台的位置以及激光束的方向，获得目标精确定位信息。机载激光雷达应用比较广泛，基本采用模拟全波形激光雷达，特点是能够获得脉冲（可理解为一束激光光线）全波形，有利于多层次目标分解（例如从激光波形中区分树冠和树底），缺点是设备笨重，几千米很难有回波，无法满足“既测得远，又测得准”的苛刻要求。
光子计数（也称单光子）激光雷达的出现填补了测绘科学家心目中“七彩祥云至尊宝”的完美想象，光电倍增管能够检测极微弱光脉冲，灵敏度达到单个光子级别。我们不用再通过记录波形获得点云，而是探测到一个光子，就记录一次时间，生成一个位置，最终获得数量庞大的光子点云（处理方法差异见图1）。此时我们从太空中发射一束功率不太强的激光，只要有数个光子返回，就能达到测量目的。
图1 全波形LiDAR和光子计数LiDAR技术原理对比
卫星配置更加强大
作为ICESat系列的后续星，ICESat-2延续了冰川测量的基本科学目标，在参数配置上更加强大。地面激光足印大小由上一代70m缩小为17.5m，激光重复频率由40Hz提高到10kHz，沿飞行方向两个相邻激光点的距离由172m缩小为0.7m，在功能指标上实现了由“大粗稀”到“小细密”的巨大提升。
ICESat-2激光脉冲被分为6束，两两一组，组内间隔约90m，可以精确测量地形坡度。配对的2个激光为一强一弱组合，强波束能量是弱波束的4倍，强弱组合的模式增加了激光的动态范围，使得卫星在明亮（如冰面）和黑暗（如海面）表面都能捕捉到足够的返回光子。同时，脉冲能量、目标类别和返回光子数的关系经过科学家们计算仿真，以保证多数条件下能捕获到返回的光子。例如，单束强脉冲包含约300万亿个光子，经过500km远距离传播，冰盖表面大约有2-9个光子能返回接收器。最后，配合上恒星相机和惯性导航数据提供的激光绝对指向方向，以及全球定位系统GPS提供的位置数据，经过一定的模型误差改正（如大气、潮汐）就能得到具有精确地理位置的光子点云。
单光子激光雷达采集的点云数据，噪声大，密度也大
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