激光雷達在大氣探測中的應(yīng)用淺析

摘 要:激光雷達具有波束定向性強、探測波長短、能量密度高等特點，在大氣探測中能夠發(fā)揮空間分辨率高、探測靈敏度高等優(yōu)點。文章分析了激光雷達大氣探測的基本原理，介紹了激光雷達的類型，探討了激光雷達在大氣探測中的具體應(yīng)用，并提出一些觀點以供參考。

關(guān)鍵詞:激光雷達 大氣探測 散射

中圖分類號:TN958文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2012)08(b)-0095-01

激光具有方向性、單色性、相干性、高亮度、高能量、高功能等特點。激光雷達充分利用了激光的性能，將微弱信號探測技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、激光技術(shù)集于一體，是一種先進的光學(xué)探測手段。近年來，激光雷達廣泛應(yīng)用于陸地、海洋、大氣高精度遙感探測中。在大氣探測中，激光雷達主要用于探測污染環(huán)境氣體、大氣成分、大氣密度、大氣溫度等。

1 激光雷達大氣探測的基本原理

激光雷達的工作原理和普通雷達的工作原理相似，發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出信號、接受系統(tǒng)收集、處理該信號和目標(biāo)作用后的返回信號，從而獲得工作需要的信息。然而不同點在于，普通雷達所發(fā)射的信號是毫米波，而激光雷達所發(fā)射的信號是激光束，激光束的波長比毫米波的波長短。普通的無線電雷達因為波長過長，所以難以探測微粒型或小型目標(biāo);而激光雷達的激光波長可以控制在微米量級，所以激光雷達能夠較好地探測微粒型或小型目標(biāo)。

激光雷達在大氣探測中的應(yīng)用的基礎(chǔ)為大氣中的氣溶膠粒子、分子、原子和光輻射之間的相互作用。主要的物理過程表現(xiàn)為米散射、瑞利散射、拉曼散射、熒光散射以及共振色散等。米散射是由和激光波長相當(dāng)?shù)臍馊苣z粒子所引發(fā)的散射現(xiàn)象，其入射激光波長和散射譜的中心波長相同，入射激光譜寬和散射譜的譜寬接近。米散射可以用于探測大氣氣溶膠。瑞利散射是由小于激光波長的散射體粒子的原子或分子所引發(fā)的散射現(xiàn)象，其入射激光波長也和散射譜的中心波長相同，大氣溫度變化影響著入射激光譜寬。瑞利散射可以用于測量大氣分子密度、大氣溫度等參賽。拉曼散射一般可以分為振動拉曼散射和轉(zhuǎn)動拉曼散射，是由大氣原子或分子所引發(fā)的一種非彈性散射，在各種散射機理中拉曼散射的散射截面最小，需要高效率的檢測和分光系統(tǒng)，由于拉曼散射的散射機理較為特殊，可以用于大氣成分、大氣溫度、水蒸氣密度的探測。

2 激光雷達的類型

目前，激光雷達分類方式有多種，例如按照激光雷達結(jié)構(gòu)、工作空間或接收信號的方式進行分類。按照激光雷達的結(jié)構(gòu)，激光雷達可以分成兩大類:雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)激光雷達和單穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)激光雷達。其中，雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中的接收部分和發(fā)射部分放置在不同的地點，能夠有效地提高激光雷達的空間分辨率。不過，現(xiàn)在脈寬是ns級的激光就能夠提供非?？捎^的空間分辨率，所以雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)使用較少。通常，單穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)是單端系統(tǒng)，即通過一個光學(xué)孔徑發(fā)射信號和接收信號，由發(fā)送/接收開關(guān)進行隔離。按照激光雷達的工作空間，激光雷達可以分為地對空探測激光雷達、機載激光雷達、車載激光雷達、船載激光雷達、星載激光雷達、地面固定式激光雷達等類型。激光雷達接收信號的方式不同，激光雷達的用途也就不同。激光雷達可以接收反射信號、吸收衰減信號、彈性散射信號(如，米散射、瑞利散射)、共振散射信號、拉曼散射信號、熒光信號、差分吸收散射信號等，從而發(fā)揮著不同的用途，形成不同的激光雷達。例如，吸收型激光雷達、散射型激光雷達、拉曼激光雷達、熒光激光雷達、差分吸收激光雷達等。

3 激光雷達大氣探測的具體應(yīng)用

激光雷達的探測波長短、能量密度高、波束定向性強，具有很高的探測靈敏度和空間分辨率，能很好地分辨被探測物體，探測時不存在探測盲區(qū)。由于激光雷達相對于普通雷達的優(yōu)勢較大，目前激光雷達探測已經(jīng)成為了大氣、陸地、海洋高精度遙感探測的重要方法，廣泛應(yīng)用于定位、航天、導(dǎo)航、通信、環(huán)境檢測等高新技術(shù)領(lǐng)域。激光雷達大氣探測的具體應(yīng)用表現(xiàn)在大氣污染探測、大氣溫度探測、大氣密度探測等方面?，F(xiàn)就激光雷達大氣及其污染探測展開探討。

激光雷達用于大氣及其污染探測時，可以根據(jù)實際探測需要，靈活選用地對空激光雷達、機載激光雷達、星載激光雷達、地基固定式激光雷達進行探測。在具體探測中，根據(jù)探測目標(biāo)選用恰當(dāng)?shù)募す饫走_系統(tǒng)。例如，選用米散射激光雷達對大氣氣溶膠和懸浮塵埃進行探測。氣溶膠導(dǎo)致了許多環(huán)境污染問題，比如煙霧事件、酸雨形成、臭氧層破壞等，探測分析大氣中的氣溶膠，可以更好地進行環(huán)境保護工作。當(dāng)激光和大氣粒子相互作用時，米散射有著最大的微分散射幾率，米色散比瑞利散射和拉曼散射的微分散射幾率要高得多。即使大氣中只有少量的氣溶膠或低濃度懸浮塵埃，米散射也能夠探測出污染物成分和污染程度，獲得較高精確度的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，促進大氣評估的定量化研究，提高大氣污染監(jiān)控的有效性，為相關(guān)決策提供客觀依據(jù)。

瑞利散射激光雷達能夠有效探測對大氣臭氧層構(gòu)成破壞的氟利昂系列。瑞利散射有著較大的后向散射截面，是大氣分子或源自的彈性散射。所以，瑞利散射激光雷達可以用于探測中層大氣成分變化情況。拉曼散射是由激光作用于大氣物質(zhì)粒子而引發(fā)的非彈性散射，散射物體成分決定了入射光子和散射光子能量之差。拉曼散射能夠用于監(jiān)測汽車、工廠排放的羽狀污染源。近年來，差分吸收激光雷達的探測靈敏度越來越高，在城市污染源和城市大氣環(huán)境的高分辨率探測中都獲得很好利用。差分吸收激光雷達探測的主要對象是有機氣體、氣溶膠、二氧化硫、氧化氮等。差分吸收激光雷達系統(tǒng)較好的利用了差分吸收測量技術(shù)和大氣對光的米氏彈性散射原理，能夠?qū)Υ髿鈱α鲗拥娘h塵、二氧化氮、二氧化硫、臭氧等的動態(tài)變化和三維空間分布進行有效的探測。

4 結(jié)語

綜上所述，由于激光束的波長比毫米波的波長短，激光雷達能夠更加有效地探測微粒型或小型目標(biāo)，激光雷達比普通雷達在大氣探測中根據(jù)優(yōu)勢。近年來，在污染環(huán)境氣體、大氣成分、大氣密度、大氣溫度等探測中，激光雷達已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。在具體探測中，需要根據(jù)不同的探測目的，選用恰當(dāng)?shù)募す饫走_。例如，探測大氣氣溶膠，可以選用米散射激光雷達;探測大氣氣體成分，可以選用熒光激光雷達、拉曼散射激光雷達、或差分吸收激光雷達;探測大氣分子密度，可以選用瑞利散射激光雷達。

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