激光雷達在大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象中的應(yīng)用研究

車昕(山東省臨沂生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東 臨沂 276000)

1 激光雷達結(jié)構(gòu)分類及其技術(shù)特點

1.1 激光雷達結(jié)構(gòu)分類狀況

激光雷達本身是一種遙感探測設(shè)備，從整體結(jié)構(gòu)來看，其不僅包含激光發(fā)射、回波信號接收裝置，還涉及信息采集和控制等單元。在實際探測中，激光束會和大氣中的物質(zhì)進行相互作用，并由此形成一定的回波信號，通過對這些回波信號的控制分析，可實現(xiàn)大氣物理要素的精準探測。

基于工作物質(zhì)的不同，激光雷達在形式劃分中具有較大差異?，F(xiàn)階段，氣體、半導體、固體是激光雷達工作中常用到的幾種不同物質(zhì)，這也使得激光雷達分為氣體激光雷達、半導體激光雷達和固體激光雷達[1]。相對而言，氣體激光雷達中CO激光雷達應(yīng)用較廣，其在大氣環(huán)境檢測中應(yīng)用廣泛；而半導體激光雷達經(jīng)濟優(yōu)勢明顯，其能有效地節(jié)省大氣環(huán)境監(jiān)測的成本；此外，固體激光雷達主要應(yīng)用在大氣中氣溶膠、霧以及有害氣體成分監(jiān)測當中，整體效益較為突出。

1.2 激光雷達的技術(shù)特征

激光雷達結(jié)合了傳統(tǒng)雷達技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)，與普通微波雷達相比，激光雷達在探測中優(yōu)勢突出。一方面，激光雷達使用激光束進行目標物探測，這使得探測工作頻率較高，可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率。另一方面，激光雷達的抗干擾能力較為突出，基于此，其可以快速滿足低空探測需要，并在工作中表現(xiàn)出單色性好、方向性強的特征。此外，該設(shè)備還具有體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢特征使得激光雷達的應(yīng)用范圍不斷擴大，現(xiàn)階段，環(huán)境監(jiān)測、航天、通信、導航和定位等領(lǐng)域均有激光雷達的應(yīng)用，有效地實現(xiàn)了遙感探測的精確化、現(xiàn)代化發(fā)展。

2 激光雷達在大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象中的應(yīng)用

在大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象工作中，激光雷達監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用具有較強優(yōu)勢，從目前監(jiān)測現(xiàn)狀來看，氣溶膠以及邊界層、溫度、大氣能見度、風廓線探測中均有激光雷達的應(yīng)用。

2.1 探測氣溶膠以及邊界層

氣溶膠具有吸收和散射太陽輻射的能力，這對于全球氣候的變化造成深刻影響。就邊界層而言，其指的是大氣邊界層。在當前大氣環(huán)境監(jiān)測及氣象工作中，對于氣溶膠和邊界層進行監(jiān)測，能實現(xiàn)全球氣候變化的有效預(yù)測。就激光雷達而言，其發(fā)射出的激光束會和邊界層中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，并由此反射回一定的回波信號，分析并應(yīng)用這一回波信號，能實現(xiàn)空氣污染物的擴散、傳輸模式的分析以及環(huán)境空氣質(zhì)量的預(yù)報模式。近年來，全球氣象問題愈發(fā)突出，這使得激光探測技術(shù)的應(yīng)用不但深入，在實際探測中，主要探測對象包含了大氣中氣溶膠、黃沙、霧霾、沙塵等諸多內(nèi)容，這些內(nèi)容的監(jiān)測對于氣象災(zāi)害預(yù)防工作開展具有較強的指導意義[2]。譬如，在我國，有較多的地區(qū)建立了雙波長偏振雷達觀測網(wǎng)，并且通過這一網(wǎng)絡(luò)，對氣溶膠和邊界層進行全面探測，有效地擴大了氣溶膠、邊界層測量高度和垂直跨度，提升了氣象監(jiān)測效果。

2.2 探測溫度

作為氣象工作的一個重要參考指標，溫度探測至關(guān)重要；目前，溫度已經(jīng)成為天氣播報中必不可少的一個氣象因素。在溫度探測中，激光雷達的應(yīng)用為實際探測工作開展提供了有效途徑，并有效地提升了溫度探測的精度。在溫度探測中，瑞利散射、拉曼激光雷達是兩種較為常見的監(jiān)測形式。就瑞利散射而言，散射激光會通過全反鏡垂直向上射入大氣，并獲得一定的溫度測量信息。需注意的是，瑞利散射在低空測量中適用性不強，這是因為在30km以下，大氣中的氣溶膠較多，容易對瑞利散射造成干擾。拉曼激光雷達探測包含了振動性和轉(zhuǎn)動性兩種形式，均可以實現(xiàn)氣象溫度的精準測量。

2.3 探測大氣能見度

在大氣能見度監(jiān)測中，激光雷達監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢極為突出。作為一種新型大氣探測技術(shù)，該技術(shù)與大氣相互作用后獲得能見度信號，使得大氣能見度測量的精度更高，為人們的出行提供有效指導。就大氣能見度本身而言，它是反映大氣透明度的一個重要指標，受大氣透過率和衰減系統(tǒng)影響，大氣能見度具有動態(tài)變化的特點?，F(xiàn)階段，采用激光雷達進行大氣能見度監(jiān)測，其實際監(jiān)測受多云、晴天、陰天、雨天的影響較小，這是因為激光發(fā)射單元采用脈沖式的激光器來發(fā)射監(jiān)測信號，在光電倍增管和雪崩二極管的支撐下，探測并接收信號，使激光信號對于大氣能見度的探測角度、距離和速度分辨率得以有效提升，依據(jù)這些資料，進行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，工作人員能提升預(yù)報預(yù)警的準確度。

2.4 探測風廓線

在傳統(tǒng)探測模式下，對于風的探測主要是指探測風度大小，然而在風向和風力值探測方面效果并不明顯。在激光雷達技術(shù)體系下，氣象探測工作能對風度大小、風向、風力值等要素進行全面探測[3]。在傳統(tǒng)探測中，一旦空氣中存在湍流，風力實際測量結(jié)果會受到較大影響，采用新式探測技術(shù)，能有效地解決湍流對風力測量的影響，整體效益較為突出。在實際探測中，晴空下的湍流對于電磁波的折射率具有差異性。受風度大小、風向、風力值等要素的影響，風廓線前后不一，其湍流形態(tài)也有差異，當激光雷達發(fā)送的信號遇到湍流時，會產(chǎn)生較強的散射，此時，利用激光雷達多普勒測速原理，即可實現(xiàn)不同高度隨風移動湍流速度和風向的有效測定，最后在對測量的數(shù)據(jù)進行分析，即可實現(xiàn)風速、風向的實時測量。在北方地區(qū)，較大風速會帶來黃沙、霧霾天氣，促使空氣中膠凝質(zhì)增多，而在南方地區(qū)，大風會攜帶較大水汽，帶來陰雨、臺風、海嘯，利用激光雷達測定風廓線，可實現(xiàn)這些天氣的有效預(yù)測，這對環(huán)境空氣質(zhì)量的預(yù)報預(yù)測、大氣污染防治和氣象災(zāi)害預(yù)防具有積極作用。

新時期，基于激光雷達探測技術(shù)在氣溶膠、邊界層、溫度、大氣能見度、風廓線探測方面的優(yōu)勢，全球范圍內(nèi)大面積建立了地基雷達觀測網(wǎng)，基于該觀測網(wǎng)，也可以實現(xiàn)臺風、地震、洪水災(zāi)害等突發(fā)事件的實施監(jiān)測和信息傳達，這為突發(fā)事件預(yù)警及人們生命防護創(chuàng)造了有利條件。

如今，激光雷達在環(huán)境監(jiān)測、航天、通信、導航和定位等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入，多層次、多方位的應(yīng)用使得激光雷達在空間范圍、物質(zhì)種類方面的功能不斷優(yōu)化，而且在探測持續(xù)時間方面潛力巨大。在大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象工作中，基于實際管理需要，激光雷達監(jiān)測技術(shù)開始朝著精細化和定量化的方向發(fā)展，這為全球氣候變化研究和氣象災(zāi)害預(yù)報提供了系統(tǒng)、長期和穩(wěn)定的監(jiān)測資料，有效地滿足了大氣環(huán)境監(jiān)測工作的需要。

3 激光雷達在大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象中的應(yīng)用問題及改進措施

3.1 激光雷達在大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象中的應(yīng)用問題

作為一種新興的主動遙感工具，激光雷達探測在探測跨度、空間分辨率、測量精度方面優(yōu)勢突出，這使得其在多個領(lǐng)域均有深入應(yīng)用。然而從實際應(yīng)用過程來看，其仍然存在相應(yīng)的缺陷。首先，激光在傳輸中受光速、折射率、散射等因素的影響，實際精度會有所降低。其次，當遇到濃霧、雨、雪天氣時，激光雷達的探測作業(yè)效果受到影響。此外，受波束等因素的影響，其在搜索范圍、捕獲目標方面尚有較大提升空間。

3.2 激光雷達在大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象中的應(yīng)用改進

針對激光雷達在大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象中出現(xiàn)的問題，在今后探測發(fā)展中，還需從以下幾個方面進行改進：一，注重激光光源、發(fā)射與接收光學、信號探測與采集等單元的不斷創(chuàng)新，通過提升發(fā)展雷達新技術(shù)，實現(xiàn)探測范圍擴大和精度提升。二，注重多波長多探測功能的有效開發(fā)，提升激光雷達獲取目標的能力。三，建設(shè)區(qū)域性大面積空間覆蓋的地基激光雷達觀測網(wǎng)，這樣能充分滿足氣象、氣候與環(huán)境研究的需要。四，傳統(tǒng)管理模式下，激光雷達以平臺、地基和車載為基礎(chǔ)，在新的管理模式下，應(yīng)注重機載和星載激光雷達的進一步發(fā)展，這樣能使得大氣參數(shù)的探測范圍從局地單點擴大到一個區(qū)域乃至全球。

4 基于激光雷達技術(shù)的大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象監(jiān)測實踐

4.1 激光雷達技術(shù)探測實踐背景

2016年5月，我國新疆東部和南疆盆地遠距離輸送來一股沙塵氣溶膠，雖然這些沙塵最終被秦巴山川所阻擋，然而在途徑區(qū)域，使得多個城市出現(xiàn)了沙塵、霧霾天氣，影響了多個城市的大氣環(huán)境和空氣質(zhì)量。某市主城區(qū)受沙塵氣溶膠影響，空氣中吸入顆粒物和細顆粒物因子明顯增加。為實現(xiàn)空氣中沙塵氣溶膠濃度的有效監(jiān)控，該市采用激光雷達技術(shù)進行了實際監(jiān)測。

4.2 激光雷達技術(shù)探測過程

本項目實踐中，主要是對空氣中的吸入顆粒物和細顆粒物因子進行監(jiān)測。測量設(shè)備采用安徽藍盾光電子股份有限公司生產(chǎn)的常規(guī)環(huán)境空氣質(zhì)量顆粒物監(jiān)測儀和氣象觀測儀。在全市范圍內(nèi)設(shè)置多個環(huán)境空氣質(zhì)量國控自動監(jiān)測站點，對環(huán)境空氣質(zhì)量進行監(jiān)測和評價。具體探測中，項目采用了顆粒物激光雷達測量手段，顆粒物激光雷達為AGHJ-I-LDAR(MPL)系列微脈沖激光雷達，該測量設(shè)備包含了光學系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和計算機三個部分。在實際測量中，進行以下指標控制(見表1)。完成探測后，采用SPSS22.0軟件對沙塵氣溶膠污染情況進行數(shù)據(jù)分析，同時，在Spearman相關(guān)性分析系統(tǒng)下，對差異顯著性展開分析，最終實現(xiàn)空氣中PM2.5濃度、PM10濃度和PM2.5/PM10值與氣象因子相關(guān)性的系統(tǒng)分析。

5 結(jié)語

激光雷達技術(shù)對于大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象工作的開展具有重大影響。新經(jīng)濟形勢下，人們對于大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象工作提出了較高要求，不斷提升這些工作開展的效率和精度質(zhì)量是此類工作高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在需要。在實際探測中，工作人員只有系統(tǒng)掌握激光雷達技術(shù)的應(yīng)用原理，深化其在大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象工作中的應(yīng)用范圍，并進行應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新，才能有效提升激光雷達技術(shù)應(yīng)用水平，保證大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象工作開展的效率與質(zhì)量。