激光雷達技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

徐從武 / 南京杰思爾設(shè)備工程有限公司

激光雷達技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

徐從武 / 南京杰思爾設(shè)備工程有限公司

激光雷達作為一種新型技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在軍事工程、國民經(jīng)濟、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中。本文闡述了激光雷達的構(gòu)成及原理，介紹了激光雷達在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢，希望對激光雷達技術(shù)的發(fā)展具有一定的參考價值。

激光雷達；環(huán)境監(jiān)測；技術(shù)應(yīng)用

隨著時間推移，激光雷達技術(shù)已逐漸被廣泛應(yīng)用在軍事工程、科學(xué)研究、國民經(jīng)濟及環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，特別是對氣象因素測量及大氣環(huán)境監(jiān)測等方面顯示出其獨有的優(yōu)勢及光明的發(fā)展前景。

一、激光雷達的構(gòu)成及原理

依據(jù)直接型探測激光雷達可以對發(fā)射系統(tǒng)所發(fā)出的信號進行接收的原理，通過記錄信號傳播所需的時間來對距離進行計算，從而得出信號起點與終點之間的距離。

1.激光器的選擇。

在進行激光器的選擇時需要遵從以下原則，需要考慮基于頻率，可靠性，耐用性，成本及使用性等多個方面，而半導(dǎo)體激光器與以上方面的要求相符合。由于半導(dǎo)體激光器本身所具有的相干性不高特點，在進行間接型與直接型兩種探測方式的選擇時，毫無疑問應(yīng)選擇直接型探測方式。而直接型探測也有兩種探測方式，分別是脈沖型與連續(xù)型。脈沖型的工作原理是通過窄脈沖來對激光到達目的地的時間進行記錄，并以對該時間的測量，通過公式R=1/2CT來計算起點與終點之間的距離。其中R為距離，C為光速，往返時間為T。而連續(xù)型的工作原理是基于相位差原理，通過激光在起點與終點之間進行連續(xù)的掃描，并通過起點與終點的激光器相位差來對兩者之間的距離進行計算。而通過對兩者工作原理的比較，我們可以發(fā)現(xiàn)其各有所長，但因為連續(xù)型具有耗時長和操作難等缺點，所以人們一般都會選擇半導(dǎo)體脈沖激光器。

2.激光雷達的成像方法。

經(jīng)過對激光雷達的成像研究，我們發(fā)現(xiàn)其總共有三種成像方法，其中主要包括單元型探測器與面陣型探測器。首先說單元型探測器，單元型的探測范圍較小，其掃描方式是將已經(jīng)存在的掃描樣本發(fā)射到目的地中的每個位置，其掃描結(jié)果主要分為從目標的角度到角度再到強度的圖像測量方式，與從目標的角度到角度再到距離的兩種圖像測量方式。而面陣型探測器，其進行的測量范圍包含掃描范圍中的每個像素點。而相空間掃描與物空間掃描都是激光雷達中的主要成像技術(shù)，而在進行激光雷達掃描工作時采用物空間掃描方式進行的一般有卵形、雙光楔、振鏡與轉(zhuǎn)鏡四種掃描方式。光機掃描是第三種掃描方式，其主要存在與物空間掃描方式中。在經(jīng)過大量的科學(xué)實踐與經(jīng)驗總結(jié)，在對距離與強度圖像進行測量工作時，應(yīng)采取激光掃描器對其進行單元型測量，因為使用單元型的探測方式，可以使預(yù)期結(jié)果符合研究標準，且相對來說更容易實現(xiàn)。

二、激光雷達在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

1.大氣污染分布的監(jiān)測。

給大氣造成污染問題的主要原因，是一種在低空大氣中存在豐富并被稱為氣溶膠的漂浮粒子。當(dāng)空氣中的漂浮粒子與激光雷達所發(fā)射出的激光發(fā)生反應(yīng)后會產(chǎn)生散射現(xiàn)象，并且入射光的波長和漂浮粒子的尺度為同等數(shù)量的級別，而波長的一次方與散射系數(shù)成反比，而根據(jù)這一特點，米氏散射激光雷達可以對空間分布、氣溶膠濃度及可見度進行測定。同時也可以對沙塵暴的產(chǎn)生、途經(jīng)路線及其沉降過程進行監(jiān)測，方便不同地區(qū)針對不同類型的沙塵暴采取不同應(yīng)對措施，并通過植樹造林等手段以阻礙或改變沙塵暴的路線。

2.大氣成分的監(jiān)測。

利用氣體分子使激光被吸收及其被大氣分子、氣溶膠的后向散射兩方面的作用效果來對差分吸收激光雷達進行合理設(shè)置，其主要功能是用來測定大氣中的成分，這之中包括臭氧、水蒸汽及大氣污染的空間濃度及分布情況等。其工作原理主要是通過激光雷達發(fā)射出兩種不等波長的光，然后一個波長被調(diào)到等待監(jiān)測物質(zhì)的吸收線上，另一個波長則被調(diào)到吸收線上較小吸收系數(shù)的邊翼，并將兩種波長以高重復(fù)頻率的形式交替發(fā)射到大氣中。而由于被測對象將兩種波長光信號進行不同程度的吸收，使激光雷達測量到了兩種波長信號的衰減差，然后，通過對數(shù)據(jù)進行分析，便能夠得出被測對象的濃度及分布，完成測量目的。

3.氣象要素的監(jiān)測。

針對氣象因素探測也是激光雷達廣泛應(yīng)用中的一大領(lǐng)域，且不僅能對平流層的氣象參數(shù)進行探測，并能對對流層內(nèi)的溫、濕、風(fēng)、壓等基本參數(shù)進行探測，以及對能見度及低云等參數(shù)的探測。針對云的探測主要為測云厚、云底高及云的層次，而測量精度控制在10米之內(nèi)即可。對風(fēng)的探測主要為風(fēng)向、風(fēng)速，一般水平風(fēng)向的精度應(yīng)小于5度，而水平風(fēng)速的精度應(yīng)小于1m/s。而在進行氣壓測量與溫度輪廓線時通常會采用差分吸收激光雷達進行探測。激光雷達還可以對大氣溶膠、晴空湍流及雷暴強度進行探測，并為氣象研究與應(yīng)用提供真實有效的資料。

4.路面狀況的監(jiān)測。

如果需要對重要交通路段或是高速公路進行監(jiān)測工作，可以在工作過程中采用小型或微型的激光雷達。其主要是對路面的凹凸程度進行測量，如果路面存在積雪、冰層或雨水等，也同樣可以對其進行監(jiān)測工作。通過使用激光雷達進行監(jiān)測工作，不僅使公路交通得到科學(xué)有效的管理，同時也保證了交通安全，并能夠及時的應(yīng)對突發(fā)事故，減少事故造成的損失。

三、環(huán)境監(jiān)測激光雷達的發(fā)展趨勢

自20世紀開始發(fā)展以來，環(huán)境監(jiān)測激光雷達已得到了廣泛的認可及應(yīng)用，并隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的擴大也在不斷地創(chuàng)新與發(fā)展。

1.體制創(chuàng)新。

伴隨新工藝、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，環(huán)境監(jiān)測激光雷達的體制也在不斷進行創(chuàng)新，并結(jié)合應(yīng)用環(huán)境的不同，目的的不同而采用不同的體制。例如對路面的檢測可以選擇成象激光雷達，對云的探測可選擇動目標指示激光雷達。

2.載體增多。

結(jié)合實際監(jiān)測環(huán)境的需要，對激光雷達選擇不同的載體。除機載與星載外，還可以把留系氣艇、氣球作為空中載體；車載是用的最多的陸上載體，但也可以把激光雷達設(shè)置在一定高度，例如鐵塔、屋頂?shù)冉ㄖ?，使激光雷達的監(jiān)測區(qū)域更大。

3.功能求全。

在環(huán)境檢測激光雷達的發(fā)展過程中，對功能的不斷求全是其發(fā)展中的顯著特點。其分別表現(xiàn)為兩方面，一是拓寬頻段，增加功能。例如1998年由日本環(huán)境廳國立公害研制所研發(fā)的NIES臭氧激光雷達，其內(nèi)部分為兩個系統(tǒng)，并且兩個系統(tǒng)中的光源可以發(fā)射出三種不同波長的光。所以，在進行平流層或?qū)α鲗拥奶綔y工作時，為確保其置信度及測量精度，應(yīng)采用不同波段進行探測。另一方面是多功能一體化。結(jié)合實際應(yīng)用情況，可以將其與其他的傳感裝置集成一體。例如正在發(fā)展中的美國空軍所設(shè)計的機載多功能光電系統(tǒng)（MISSIONS），該系統(tǒng)就是將目標識別、目標指控、目標捕控、威脅警告、紅外定向干擾等功能集成于一體的光電集成系統(tǒng)。

4.技術(shù)提高。

在環(huán)境監(jiān)測雷達的發(fā)展過程中，不僅要考慮到減小體積，減輕質(zhì)量，激光與操作人員眼睛的安全方面等問題，還應(yīng)降低成本、提高激光雷達的輸出功率，從而使輻射源為二極管激光器與二極管泵浦的固體激光器做成的激光雷達能夠得到迅速發(fā)展，并成為激光雷達發(fā)展與研究過程中的熱點。

而隨著環(huán)境監(jiān)測激光雷達的發(fā)展，其數(shù)字處理技術(shù)也在不斷提高，從而使其自動化處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，并自動建立各種數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)模型，對所監(jiān)測的數(shù)組可以對其進行修正，以使數(shù)據(jù)的可靠性及利用率得到有效提高。

四、總結(jié)

作為一種重要的環(huán)境檢測手段，激光雷達具有探測靈敏度高、時空分辨率高及抗干擾能力強等優(yōu)點，所以，通過記過雷達來進行對大氣的監(jiān)測、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析，并以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立預(yù)測大氣環(huán)境的理論模型，同時也為環(huán)境治理及氣候變化等研究問題提供了新的途徑與科學(xué)依據(jù)。并且，激光雷達具有實施成本低、體積小、效果好的優(yōu)點，所以方便推廣及使用多種載具作為載體。當(dāng)前一些國家已經(jīng)成功制作出星載、機載和車載激光雷達系統(tǒng)，相信未來激光雷達在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用會更為廣泛。

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