激光雷达技术及其在大气环境监测中的应用

(1.内蒙古大气探测技术保障中心，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018) 
摘 要： 文章论述了激光雷达系统的原理、特点、分类、发展现状及其在大气环境监测中的 应用，重点阐述了利用激光雷达对气溶胶、云、大气组分和大气动力学参数等进行实 时、快速监测的技术以及其中的各种机制，包括Mie散射、Rayleigh散射、Raman散射、多普 勒、差分吸收机制等。
关键词：激光雷达；监测；大气环境
中图分类号：TN959.3  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2010)02—0085—02

从20世纪60年代激光雷达问世以来，短短40余年中，激光雷达技术得到了飞速的发展。激 光雷 达由于具有波长短、单色性好、方向性强、相干扰性高和体积小等特点, 因而呈现出较高的 空 间分辨率、探测灵敏度和抗干扰能力，其应用涉及科学研究、军事工程和国民经济各个领域 ，特别是在气象探测方面得到了尤为广泛的应用。它可以用来测量气溶胶、云、能见度、大 气成分、空中风场、大气密度、温度和湿度的变化，对城市上空环境污染物的扩散、沙尘暴 过程进行有效的监测。精确的实时数据不仅能用于飞行保障，而且能为研究气候变化、天气 预报和建立正确的大气模型提供依据。
1 激光雷达的原理、分类及其发展

激光雷达是传统雷达技术(以微波和毫米波段的电磁波作为载波的雷达)与现代激光技术相结 合的产物。它是以激光器为辐射源，以光电探测器为接收器件，以光学望远镜为天线的一种 雷达。该雷达利用激光进行回波测距和定向，并通过位置、径向速度以及目标物体的反射特 性来识别物体，体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术，是一种极为有效的主动遥 感工具。激光束发射后，可以在不同的时间接收回波信号。通过某高度段被探测大气的回波 信号接收时相对于发射激光脉冲的延时T和光的速度c，可换算出该大气回波产生处到大气探 测激光雷达的直线距离z，即z=T·c/2。激光雷达系统主要由激光器、发射接收天线、光电 探测器、信号处理系统、控制系统与电源6部分组成，其系统原理框图如图1所示。

根据激光雷达工作原理的不同，可以把当前探测大气的激光雷达分为Mie散射激光雷达 、Rayleigh散射激光雷达、Raman散射激光雷达、差分吸收激光雷达和共振荧光激光雷达等 若干种类。其中Mie散射激光雷达主要用于探测30km以下低空大气中气溶胶和云雾的辐射特 性，Rayleigh散射激光雷达主要用于探测30km～70km高空的大气密度和温度分布，Raman散 射激 光雷达一般则用于对大气温度、湿度以及一些污染物的测量，差分吸收激光雷达一般用于测 量大气中臭氧以及其他微量气体，其测量精度比Raman散射激光雷达高出约3个数量级，共 振荧光激光雷达一般用于对80km～110km高空的一些金属原子的测量，比如钠原子。

激光雷达的发展经历了由简单到复杂、由低级到高级的过程。20世纪60年代中期，美国伯金 艾莫尔 公司研制出第一台He-Ne激光跟踪测量雷达，其测距误差为±0.6m，测角误差为0.lmrad，并 用于靶场测量。随后以人造卫星测距机的发展最为突出，1969年就精确地测出了地球测点与 月球上反射器之间的距离。60年代后期和70年代初期，研制的重点转向单脉冲激光雷达和CO 2激光雷达。1968年，Raytheon研制出第一台CO2相干激光雷达。1970年，西尔瓦尼亚公 司研 制成第一台YAG单脉冲激光雷达，其测距误差为士0.15m ,测角误差为0.1 mrad，10年后又研 制了改进型YAG单脉冲激光雷达。80年代后期，随着二极管阵列的出现和二极管泵浦固体激 光器的出现，半导体激光雷达、固体激光雷达和CO2激光雷达齐头并进，在各自的领域内 蓬 勃发展。1992年，美国科学与工程设备公司开发了二极管激光泵浦固态激光器微脉冲激光雷 达，在此基础上又开发了这种光源的差分吸收激光雷达、拉曼散射激光雷达、多普勒激光雷 达和生物激光雷达。1994年～1995年，ESA进行了LMD脉冲相干多普勒雷达风速实验，并对测 风 雷达的性能进行了初步的研究。1994年9月9日载有米散射激光雷达LITE的“发现号”航天飞 机成功发射，进行了空间激光雷达技术实验。LITE是人类第一次实现了空基激光雷达对大气 的探测，是激光雷达发展史上具有划时代意义的里程碑。它开辟了激光雷达大气探测的新纪 元。这些成果都标志着激光雷达的发展进入了实用化、商品化的新阶段，随着其关键技术和 系统技术的长足进步，展示了它在军事上和国民经济中的广泛应用前景。

我国的大气探测激光雷达从研制开发到投入使用前后共用了30多年的时间，所取得的成绩 获得了国际相关领域同行的认可。1965年中科院大气物理所研制了我国第一台探测大气气溶 胶的激光雷达系统，该系统采用红宝石激光器作为激光发射单元，并且能够用于水汽、云和 大气臭氧方面的探测。以后的几年中该所又研制了用于测量大气气溶胶消光及大气斜程能见 度的米散射激光雷达以及大型多波长激光雷达系统，这对于高对流层和平流层大气气溶胶以 及平流层臭氧的探测是非常必要的。

中科院安徽光学精密机械研究所在激光大气探测研究中取得的成果也是非常显著的。该 所于1991年建立了当时我国最大L625激光雷达系统，用于探测平流层气溶胶分布，该激光雷 达系统被美国国家宇航局(NASA)选为全球10个激光雷达站之一，参与联合观测菲律宾Mt.Pin atubo火山爆发所产生的火山灰气溶胶粒子，1994年美国NASA利用“发现号”航天飞机进行 的空基激光雷达技术实验中，L625激光雷达又被选中作对比分析使用。1993年底安徽光机所 研制成功我国第一台探测平流层臭氧的紫外差分吸收激光雷达；1995年研制出可移动式双波 长米散射L300激光雷达，用于对流层气溶胶、云和水平大气能见度的观测，并取得了高水平 的理论研究成果；2004年研制出车载式拉曼—米散射激光雷达、偏振—米散射激光雷达和多 普 勒测风激光雷达；这些激光雷达系统的相继投入使用，为我国大气气溶胶、云和臭氧空间垂 直分布的测量积累了丰富而宝贵的资料，引起了世界各国的普遍重视。
2 激光雷达在大气环境监测中的应用
2.1 气溶胶和云的探测

气溶胶是指液体或固体微粒均匀散布在大气中形成的相对稳定的悬浮体系。它在大气中 的含量虽然很低，却扮演着十分重要的角色。大气中的气溶胶粒子既可以通过吸收和散射太 阳辐射来直接扰动地——气系统的辐射平衡，产生所谓的直接气候效应，这种影响与其本身 粒 子的化学成分、粒子谱分布和粒子形状有关。同时，它又可以作为云的凝结核影响云的光学 特性、云量以及云的寿命，产生所谓的间接气候效应（即太阳反射效应和红外温室效应）。 这两种不确定性效应对局地、区域乃至全球的气候都会产生重要的影响。因此，准确地了解 大气气溶胶的物理、化学特性及其时、空平均分布具有十分重要的意义。

用于探测大气气溶胶和云的激光雷达技术主要是米散射探测技术，使用这种技术的激光雷达 被称为米散射激光雷达。Mie散射的特点是散射粒子的尺寸与入射激光波长相近或比入射激 光波长更大，其散射光波长和入射光相同，散射过程中没有光能量的交换，是弹性散射。相 对其他的光散射机制而言，Mie散射的散射截面最高，因此Mie散射激光雷达的回波信号通常 较强。当一个激光脉冲发射到大气中时，在传播路径上激光脉冲被大气气溶胶粒子和云粒子 散射和消光，不同高度(距离)的后向散射光的强弱与此高度(距离)的大气气溶胶粒子和云粒 子的散射特性有关，其后向散射光可由激光雷达探测到，通过求解米散射激光雷达方程就能 够反演相对应高度(距离)的大气气溶胶粒子和云粒子的消光系数。

国外在利用Mie散射激光雷达研究云的光学性质、云高以及云与气溶胶的相互影响等方面做 的比较深入，相关学者将Mie散射激光雷达探测与大涡模拟作了对比。还有专家把Mie散射激 光雷达在监测气溶胶的过程中测得的一些大气参数作为辐射传输模式的输入，并将所建立的 模型用于全球气候变化的研究，研究认为人为气溶胶的气候强迫效应是导致全球气候变化的 一个主要原因。
2.2 大气组分的探测

Raman散射是激光与大气中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，其最大的特点是散射 光的波长和入射光不同，产生了向长波或短波方向的移动，而且散射光波长移动的数值与散 射分子的种类密切相关。Raman散射波长的移动量与散射分子能级的能量差是一一对应的， 而分子能级的能量差是不同种类分子的内部固有特征。因此，从散射波长相对于入射波长的 移动量，就可确定参与散射的分子种类。这样利用Raman散射就可实现对大气组分的辨认性 探测。

由于Raman散射激光雷达只能探测浓度较高的大气组分，而如臭氧、二氧化碳等浓度并不高 的大气组分在大气研究中也非常重要。在激光与大气相互作用的各种机制中，吸收具有很大 的相互作用截面。同时，吸收又是一种共振过程，具有分辨大气组分的能力。因此，利用吸 收机制工作的激光雷达（称为差分吸收激光雷达）可用于探测大气中的水汽、臭氧、氮氧化 物和二氧化硫等浓度并不高的大气组分，能够满足对大气中微量组分进行探测的需求。该类 型激光雷达能够发射两个波长的激光，这两个波长非常接近，但是其中一个在所要探测的大 气分子的强吸收线上，另一个在其对应的弱吸收线上。由于这两个波长非常接近，可以认为 大气气溶胶对这两个波长的散射和消光作用相同，因此，只要知道所探测大气分子的吸收系 数，就可以利用这两个波长的大气后向散射回波信号，测出该大气分子浓度的垂直廓线。近 年来，由于探测多组分的需要和气溶胶对探测精度的影响，又分别提出了红外波段相干检测 差分激光雷达技术和Raman散射—差分吸收激光雷达技术。
2.3 大气动力学参数的探测

激光雷达探测的大气动力学参数包括大气温度、风、重力波和湍流等。在距地面80km～120k m的中间层顶部及电离层底部存在着较丰富的金属蒸气层 ,如 Na, K, Li ,Ca ,Fe 等。以这 些金属原子作为示踪物开展大气动力学研究 ,是一种非常有效的方法。高层大气的温度、风 和重力波的探测可以利用共振荧光激光雷达探测金属原子来实现，如钠荧光共振散射激光雷 达。大气温度的探测还可利用瑞利散射技术，采用这种技术的激光雷达被称为瑞利散射激光 雷达。它通过探测大气分子的瑞利散射，假定大气处于静力学平衡的情况下，使用理想气体 状态方程，反演出大气温度，一般探测范围在30km～80km高度范围的中层大气。利用某些气 体 分子的纯转动拉曼散射强度为温度的函数关系，通过测量这些气体分子的转动拉曼散射强度 ，也可以测量对流层的大气温度。

由于波源或观察者的运动而出现观测频率与波源频率不同的现象，称之为多普勒效应。利用 多普勒效应测量大气风场的激光雷达称为多普勒激光雷达。多普勒频移的大小和方向由分子 运动速度方向与激光束方向的夹角决定。因此，大气的风速就可以通过测量散射光的多普勒 频移量来决定。其测风方式通常有2种:①光学外差探测法或称为相干探测法，它的 原理与无线电外差接收的原理相同;②光谱分析法。由平面或球面法布里一帕 罗干涉仪测量散射光的光谱线形，从而确定其多普勒频移。大气湍流特性(包括强度、频谱 分布、扩散系数等)的探测通常是在流场或温度场中直接测量其起伏，激光技术的出现使实 现无干扰的遥感探测成为可能。利用多普勒激光雷达在测风过程中对径向风速分量的起伏进 行分析，可以获得风速起伏的能谱密度。遥感大气湍流性质的另一条可行途径是用双端激光 雷达测量闪烁方差、互相干函数以及其他光学特征来反演大气湍流折射率结构常数。
3 结束语

激光雷达是一种重要的大气环境探测手段，由于其具有时空分辨率高、探测灵敏度高和抗干 扰能力强等优点，因此，利用激光雷达对大气进行监测，收集、分析数据，建立大气环境预 测理论模型，将为研究气候变化和寻求治理环境的新途径提供科学的依据。

此外，激光雷达具有成本低、效果好、体积小的特点，因此便于推广和发展多种载体。目前 部分国家已成功研制出车载、机载和星载激光雷达系统，未来这项技术在气象探测中的应用 将会越来越广泛。
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