大氣環(huán)境遙感監(jiān)測激光雷達(dá)技術(shù)淺析及應(yīng)用現(xiàn)狀

胡君立

摘 要：傳統(tǒng)大氣激光雷達(dá)和沙氏大氣激光雷達(dá)作為兩種不同的大氣激光雷達(dá)實現(xiàn)技術(shù)路線，實際應(yīng)用中可依據(jù)需求進(jìn)行科學(xué)選擇。比如需要與現(xiàn)有大氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)激光雷達(dá)組網(wǎng)和數(shù)據(jù)比對分析，優(yōu)選傳統(tǒng)大氣激光雷達(dá)。而低成本、低維護(hù)及近距離高分辨率則會考慮沙氏大氣激光雷達(dá)。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)大氣激光雷達(dá) 沙氏大氣激光雷達(dá) 大氣環(huán)境遙感監(jiān)測

大氣激光雷達(dá)是大氣環(huán)境遙感監(jiān)測領(lǐng)域重要的監(jiān)測設(shè)備，在大氣氣溶膠、風(fēng)速、溫度和氣體成分探測方面發(fā)揮著重要作用。充分利用微波、紅外線以及計算機(jī)技術(shù)等，從而分析大氣中的物理機(jī)制以及運(yùn)動規(guī)律，這樣即可區(qū)別大氣中不同的信號特征，分析大氣各項數(shù)據(jù)信息的濃度、運(yùn)動狀態(tài)、氣象要素等。結(jié)合大氣組成在不同波段下的特點(diǎn)，即可對大氣含量水平進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)今遙感技術(shù)已經(jīng)能夠分析大氣污染情況和污染源;反映植物季節(jié)變化規(guī)律以及遭到污染的差異，通過植物對大氣污染表現(xiàn)的指示性，明確大氣污染程度以及范圍;以地面采用作為參考數(shù)據(jù)，結(jié)合遙感技術(shù)進(jìn)行綜合分析，構(gòu)建參考數(shù)據(jù)和實際圖像數(shù)據(jù)的定量關(guān)系;采用飛行器承載大氣監(jiān)測傳感器，對監(jiān)測地區(qū)進(jìn)行采樣分析，之后對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

一、大氣激光雷達(dá)概述

激光雷達(dá)技術(shù)作為一種主動光學(xué)遙測技術(shù)，在大氣環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，可獲取氣溶膠消光系數(shù)、退偏比、粒徑特性和多普勒頻移等參數(shù)，從而分析大氣透過率、污染成分、風(fēng)速、污染擴(kuò)散途徑等。

大氣激光雷達(dá)可分為米散射激光雷達(dá)、拉曼激光雷達(dá)以及高光譜分辨率激光雷達(dá)和用于氣體成分觀測的差分吸收激光雷達(dá)、相干測風(fēng)激光雷達(dá)等。國內(nèi)外的高校科研院所正在不斷拓展應(yīng)用領(lǐng)域。

對于大氣激光雷達(dá)來說，以實現(xiàn)技術(shù)為基礎(chǔ)理解商業(yè)化產(chǎn)品的性能和特性尤為重要。目前，激光雷達(dá)的探測波長由單一波長發(fā)展為多波長。激光雷達(dá)的載體由地基型發(fā)展為車載、船載、機(jī)載及星載，廣泛應(yīng)用于探測大氣氣溶膠、能見度、大氣邊界層、大氣污染氣體、水汽、臭氧、大氣風(fēng)場、大氣溫度和大氣密度等?？梢灶A(yù)料，激光雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，將在大氣環(huán)境遙感監(jiān)測領(lǐng)域有著更為廣闊的應(yīng)用前景。

沙氏激光雷達(dá)（SLidar）采用連續(xù)波光源（如連續(xù)波高功率二極管激光器），傾斜CCD/CMOS圖像探測器采集滿足沙氏成像原理條件的大氣后向散射光，以角度分辨的方式獲得距離分辨，成功實現(xiàn)距離分辨的大氣后向散射信號探測。近幾年來，SLidar技術(shù)相關(guān)的研究工作展示了其在大氣環(huán)境探測方面的巨大應(yīng)用潛力，成為傳統(tǒng)大氣激光雷達(dá)技術(shù)的補(bǔ)充。

本文將對沙氏激光雷達(dá)和傳統(tǒng)大氣激光雷達(dá)進(jìn)行簡單介紹和比較。

二、傳統(tǒng)大氣激光雷達(dá)產(chǎn)品

傳統(tǒng)大氣激光雷達(dá)的基本原理：納秒級脈沖激光器發(fā)射激光，使用同軸或平行軸的大口徑望遠(yuǎn)鏡作為后向散射信號的收集裝置，采用光電倍增管PMT或雪崩二極管APD作為光信號探測器。為了具有足夠大的動態(tài)響應(yīng)范圍，通常聯(lián)合使用高速模擬采樣和單光子計數(shù)技術(shù)。

傳統(tǒng)大氣激光雷達(dá)研究起步較早，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)都開展了米散射、拉曼和高光譜分辨率及大氣氣體等方面的研究，在硬件研發(fā)、軟件開發(fā)及理論算法分析等方面取得了顯著的階段性成果，實現(xiàn)了地基、車載、機(jī)載甚至星載應(yīng)用。國內(nèi)安徽藍(lán)盾、無錫中科光電及北京怡孚和融等公司均推出了商業(yè)化產(chǎn)品，如氣溶膠激光雷達(dá)、臭氧激光雷達(dá)和拉曼水汽激光雷達(dá)等。但是設(shè)備價格較貴、體積較大、設(shè)計和維護(hù)成本居高不下，限制了大氣環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。

三、沙氏大氣激光雷達(dá)產(chǎn)品

沙氏大氣激光雷達(dá)基于沙氏成像原理：成像系統(tǒng)，物面與透鏡不平行時，只要像面、物面和透鏡各自所在的平面相交于同一條直線，則成像清晰，且理論上景深無窮遠(yuǎn)。采用大口徑望遠(yuǎn)鏡，則具有大范圍清晰成像的理論優(yōu)勢。

沙氏大氣激光雷達(dá)采用連續(xù)輸出激光器作為光源，以傾斜的CCD/CMOS面陣探測大氣后向散射信號，依據(jù)沙氏成像原理，以角度分辨的方式獲取距離分辨。沙氏大氣激光雷達(dá)技術(shù)研究起步較遲，瑞典隆德大學(xué)和大連理工大學(xué)等研究人員開展了大氣氣溶膠和氣體探測的技術(shù)和應(yīng)用研究。大氣氣溶膠探測方面，論證了沙氏大氣激光雷達(dá)開展大氣氣溶膠消光系數(shù)的可行性，分析了性能指標(biāo)，初步建立數(shù)據(jù)反演方法。大氣氣體探測方面，論證了O分布測量的可行性，實現(xiàn)了NO濃度分布探測。商業(yè)化產(chǎn)品現(xiàn)有天測（北京）遙感科技有限公司基于沙氏成像原理的“大氣顆粒物層析儀”。

四、結(jié)語

大氣激光雷達(dá)是大氣環(huán)境遙感監(jiān)測領(lǐng)域重要的監(jiān)測設(shè)備，在大氣氣溶膠、風(fēng)速、溫度和氣體成分探測方面發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)大氣激光雷達(dá)是以脈沖激光為光源、望遠(yuǎn)鏡同軸或平行軸接收信號、光電探測器完成光電轉(zhuǎn)換;沙氏大氣激光雷達(dá)是近年來發(fā)展的一項新型大氣激光雷達(dá)技術(shù)，以連續(xù)激光作為光源、望遠(yuǎn)鏡傾斜接收光信號、CCD相機(jī)作為探測器。本文對兩者進(jìn)行介紹和比較，旨在為大氣環(huán)境監(jiān)測方面提供產(chǎn)品選擇和應(yīng)用分析參考。

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