“这个太复杂，你的技术路线风险太高。”美国宇航局（NASA）几位遥感载荷专家的反应出奇一致。

2015年，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员陈卫标在一场国际会议上遇到NASA几位同行，便请他们对自己正在筹备立项的“二氧化碳高精度监测激光雷达”项目提出意见。

“因为都是同行，表达得比较委婉。”陈卫标自嘲说，“风险太高的意思其实是做不出来。”

然而去年4月，搭载全球首颗大气二氧化碳和高光谱气溶胶探测激光雷达的卫星“大气一号”发射成功，意味着我国已率先实现全球温室气体和气溶胶高精度激光遥感探测。陈卫标凭借在星载激光雷达及其关键激光器国家重大工程中的突出贡献，获得第三届全国创新争先奖。

交出“答卷”

近日，“大气一号”交来一份“优秀答卷”——人类首次获得全球两极地区及全球夜晚的二氧化碳柱浓度，初步比对精度优于1ppm。

“大气一号”发射前，距地球700公里的轨道上已有一颗美国的气溶胶探测卫星在工作。那颗卫星代表着国际激光雷达遥感载荷的最高水平，但中国计划用难度更大的高光谱技术更精准地探测气溶胶，并且要在一颗卫星上实现“污（气溶胶）碳（二氧化碳）同测”。

陈卫标解释说，以前全球碳排放的“盘点”基本是国外在做，随着我国“双碳”目标的确立，“减排降污”的经济发展途径迫切需要我们掌握全球高精度碳分布的基本数据。

“大气一号”这一全球首颗主动激光雷达二氧化碳探测卫星的主动激光雷达载荷，采用路径差分吸收和后向散射高光谱探测体制，可以获取全球大气二氧化碳柱状浓度、云和气溶胶的垂直分布信息，进行污染监测和二氧化碳柱浓度监测。

艰辛答题

国际上普遍认为，要区分碳源和碳汇，需要达到0.3%的质量精度，即小于1ppm的测量精度。以前的测量手段主要靠被动光谱测量，即利用大气反射的阳光进行测量。

“但被动光谱测量存在一定局限性，没有阳光的地方就无法测量。”陈卫标说，“我们提出主动测量法，即在卫星上发出激光，再通过地表反射的激光进行定量测量。但这个新技术方案能否精确到1ppm需要用数据证明。”

这就要求在发射卫星前，先在实验室模拟出大气环境，证明载荷测量精度能达到要求。为此，陈卫标团队建立了一个二氧化碳吸收池——长约40 m、直径300 mm的管状实验装置，然后用压力和温度的变化量模拟整层大气层吸收，通过改变压力和浓度，逐步验证设备的响应变化率。

美国气溶胶测量卫星CALIPSO在700公里的卫星轨道上，延寿运行到今年为止。中国之所以也发射到700公里轨道，一是因为能和原来的数据进行比对，二是因为如果CALIPSO停止运行，中国卫星补上去，全球大气观测数据能得以延续。

陈卫标表示，700公里轨道太高，要保证激光从卫星“打”到大气中再返回卫星，必须有足够能量。而二氧化碳探测使用“差分吸收法”测量，该方法的前提是激光频率要稳定，一旦不稳就无法判断是大气浓度变了还是激光频率变了。

“传统激光技术存在一个矛盾——能量大的时候，频率稳定度就保证不了。”陈卫标说。

陈卫标团队为此发明了一套激光稳频技术和一套逐级能量放大技术，完美解决了上述两大难题，这是国际上第一次在一台激光雷达中实现多波段频率稳定和高能量输出，以实现多要素的高精度探测。

“少‘打’一颗卫星上天，对国家来说可以节省很多成本。”陈卫标解释说，“设计方案的时候我们分析过，测量二氧化碳的短波红外激光是通过近红外激光产生的，而剩余的近红外激光可以再转化为可见光，所以让一套激光系统发挥两种功能不是完全不可能。”

此外，激光雷达的接收需要1 m口径的望远镜，在1个接收望远镜中巧妙分出若干个通道，其中3个专门测雾霾、两个专门测二氧化碳，这就完美解决了“污碳同测”问题。

准备“领跑”

从饱受质疑到脚踏实地做出实事，陈卫标感受颇深。他认为，当前中国科技“跟跑时代”就要过去，即将迎来科技自立自强的时代。

“我们处于一个重大科技变革期，全社会对科技的期望非常高。”陈卫标说，“这需要我们认真思考，什么样的科技才能真正支撑国家发展。”

陈卫标认为，在科研选题方面，我们正面临“热”和“冷”的选择。“冷”是指一些“补短板”的研究，这些研究即使不是热点，但只要是国家发展“痛点”，就值得做好攻关；在“热”的方面应该自信自强，将前沿热点的“极限”做出来，真正引领学科、技术的发展，为科技转化和产业变革奠定基础。