激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象研究中的應(yīng)用

張青松

摘? 要：隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，我國在大氣環(huán)境和氣象監(jiān)測中也開始摒棄傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)，融入新興的激光雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)，激光雷達(dá)作為一種光學(xué)遙感設(shè)備，保留了傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢，融合了新技術(shù)的理念，在大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象研究中具有重要作用?；诖耍撐氖紫葟募す饫走_(dá)的結(jié)構(gòu)及其分類入手，旨在對激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象研究中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)? 大氣環(huán)境監(jiān)測? 氣象研究? 應(yīng)用

將激光雷達(dá)應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測與氣象研究具有重要意義，與傳統(tǒng)微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)具有抗干擾能力強、單色性好、方向性強等優(yōu)勢，非常適用于對大氣、海洋等地區(qū)的高精度遙感探測。目前，我國激光雷達(dá)技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象研究中的應(yīng)用效果顯著。

1? 激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)及其分類

從整體上看，激光雷達(dá)系統(tǒng)主要由激光發(fā)射、回波信號接收和采集以及控制幾部分組成，激光探測是指通過激光束與大氣中的物質(zhì)進(jìn)行相互作用，從而形成的回波信號。激光雷達(dá)的工作原理是激光雷達(dá)通過發(fā)射激光束，使之與大氣層中的物質(zhì)產(chǎn)生相互作用，并將相互作用的后向散射信號中所傳遞的信息加以分析處理，便可得到所需的大氣物理要素。

根據(jù)工作物質(zhì)的不同，可以將激光雷達(dá)進(jìn)行不同的分類，大體上可以劃分為以下幾種：氣體、半導(dǎo)體、固體激光雷達(dá)，其中CO激光雷達(dá)是較為常見的氣體激光雷達(dá)，其主要工作在大氣紅外波段，對大氣環(huán)境的監(jiān)測具有重要意義。半導(dǎo)體激光雷達(dá)具有價格低的優(yōu)勢，極大地節(jié)省了大氣環(huán)境監(jiān)測的成本。而對于大氣中氣溶膠、霧以及大氣中有害的氣體成分的監(jiān)測主要是固體激光雷達(dá)。

根據(jù)探測機制的不同，又將激光雷達(dá)分為不同的類型，常見的是瑞利—拉曼—米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)，該發(fā)射系統(tǒng)采用532nm波長的激光，通過全反鏡垂直向上射入大氣，激光雷達(dá)回波信號中包含有532nm高層的瑞利散射與522nm低層的米散射信號，以及607nm的拉曼散射信號。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

總之，隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，我國在大氣環(huán)境監(jiān)測與氣象研究的設(shè)備進(jìn)行了更替，在繼承和發(fā)揚傳統(tǒng)微波雷達(dá)技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合新技術(shù)理念，設(shè)計出激光雷達(dá)，并將其應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測與氣象研究中，取得了一定成效。

2? 激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象研究中的應(yīng)用和發(fā)展

2.1 對氣溶膠以及邊界層的探測

氣溶膠對地球的影響主要體現(xiàn)在其吸收和散射太陽輻射，氣溶膠對全球氣候帶來了嚴(yán)重的影響。邊界層指的是大氣邊界層，如何方便、有效、準(zhǔn)確地監(jiān)測邊界層的變化，還需借助激光雷達(dá)技術(shù)，通過激光束使之與邊界層中的物質(zhì)產(chǎn)生相互影響，進(jìn)而形成一種回波信號，對空氣污染物的擴散、傳輸模式以及污染物預(yù)報模式等都具有十分重要的意義。

氣溶膠在全球氣候的影響因素中扮演著極為重要的角色，但隨著近幾年全球氣象問題的愈加突出，各國開始利用激光雷達(dá)技術(shù)，紛紛探測大氣中氣溶膠狀態(tài)，對黃沙、霧霾、沙塵等方面均進(jìn)行了較為成功的探索，借助激光雷達(dá)技術(shù)可以較為便捷地收到反射信號，以實現(xiàn)對氣溶膠和邊界層的實時監(jiān)測。在中國，很多地區(qū)開展了專門的氣溶膠和邊界層監(jiān)測的長效機制，建立了雙波長篇振雷達(dá)觀測網(wǎng)。激光雷達(dá)對氣溶膠、邊界層的測量無論是在高度上，還是垂直跨度上都具有全面的優(yōu)勢，是傳統(tǒng)微波雷達(dá)技術(shù)無法比擬的。

2.2 對溫度的探測

溫度作為氣象中最重要的一個參考量，是天氣播報中不可缺少的氣象因素。對大氣溫度的監(jiān)測同樣也需要借助激光雷達(dá)來實現(xiàn)，研究顯示，目前利用激光雷達(dá)進(jìn)行溫度探測的多數(shù)是利用瑞利散射，該散射通過全反鏡垂直向上射入大氣，當(dāng)然瑞利散射激光雷達(dá)不適用于低空測量，因為在30km以下的高度會有大量的氣溶膠存在，很大程度上干擾了瑞利散射的測量。除瑞利散射激光雷達(dá)外，拉曼激光雷達(dá)也可以用于溫度的探測，拉曼激光雷達(dá)的類型有兩種：一種是振動性拉曼激光雷達(dá)，另一種是轉(zhuǎn)動型拉曼激光雷達(dá)，以上兩種拉曼激光雷達(dá)都可用于對氣象溫度的監(jiān)測。

2.3 對大氣能見度的監(jiān)測

目前常見的能見度探測系統(tǒng)主要是激光雷達(dá)，與其他探測技術(shù)相比，激光雷達(dá)具有不可比擬的優(yōu)勢，激光雷達(dá)作為一種新型的大氣探測技術(shù)，可以通過激光束與大氣的相互作用產(chǎn)生的光輻射信號來確定大氣能見度，從而更加精確地判定大氣的能見度。目前，激光雷達(dá)探測技術(shù)開始逐步廣泛應(yīng)用于大氣能見度監(jiān)測過程中，以為人們的出行提供便利。

2.4 對風(fēng)的探測

傳統(tǒng)意義上對風(fēng)的探測主要指風(fēng)度的大小，不能更加精細(xì)化的判定風(fēng)力值和風(fēng)向。風(fēng)力作為氣象研究的組成部分，隨著激光雷達(dá)的問世，風(fēng)力探測也隨之迎來了新技術(shù)，風(fēng)力的大小同樣對人們的出行安全帶來了極大的影響，飛機、輪船等交通工具受風(fēng)的影響較大，因此，加強對機場氣流、輪船航行路線等地的風(fēng)力監(jiān)測至關(guān)重要，在傳統(tǒng)的風(fēng)力監(jiān)測中，深受技術(shù)限制，在監(jiān)測過程中極易受空氣湍流的影響，從而影響風(fēng)力監(jiān)測，隨著新時期新的激光雷達(dá)技術(shù)的問世，很大程度上克服了技術(shù)不足的問題，能夠精確地測出風(fēng)力、風(fēng)向，對人們出行帶來了極大的便利。

綜上，為了滿足大氣環(huán)境監(jiān)測和氣象研究，國際激光雷達(dá)研究領(lǐng)域近幾年來針對大氣環(huán)境和氣象狀況，做出了較多分析研究，并在全球范圍內(nèi)大面積建立地基雷達(dá)觀測網(wǎng)，主要用于對全球大氣環(huán)境及氣象狀況進(jìn)行評估，對突發(fā)事件（如臺風(fēng)、地震、洪水災(zāi)害等）進(jìn)行及時監(jiān)控，及時傳達(dá)信息，將突發(fā)事件預(yù)警以最快的傳播速度傳遞給人們，幫助人們抓住生命黃金時期，能夠在緊張有效的范圍內(nèi)開啟生命防護模式。

3? 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，激光雷達(dá)也在不斷發(fā)展完善的過程中，不斷朝著精細(xì)化、準(zhǔn)確化的方向發(fā)展，筆者認(rèn)為，在大氣環(huán)境監(jiān)測與氣象研究的領(lǐng)域中，激光雷達(dá)的作用不容小覷，并且這一技術(shù)一定會得到廣泛應(yīng)用，得到大范圍推廣，對推動全球大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的平穩(wěn)運行具有重要意義。

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