激光雷達(dá)在氣象和大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用分析

徐梅

摘? ? 要：將激光雷達(dá)應(yīng)用在大氣環(huán)境監(jiān)測中，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測氣象變化。本篇文章就主要介紹了激光雷達(dá)的作用原理以及激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá);氣象;大氣環(huán)境監(jiān)測

激光雷達(dá)技術(shù)是在二十世紀(jì)中后期出現(xiàn)的，到如今已經(jīng)有40多年的發(fā)展歷史，盡管發(fā)展時間不長，但已經(jīng)獲得了飛快的進(jìn)步。激光雷達(dá)體積較小、抗干擾能力強(qiáng)，并且波的長短以及方向性都能夠滿足使用需求;除此之外，激光雷達(dá)的探測靈敏度和空間分辨率較高，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在軍事和經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域，另外在是在氣象監(jiān)測中，激光雷達(dá)所發(fā)揮的作用是非常重大的，可以為氣象預(yù)測和方案的制定提供支持。

一、激光雷達(dá)的介紹

激光雷達(dá)主要是以激光器為主要輻射源，以光電探測器為接收器，而天線是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡;它主要是通過發(fā)射激光來對回?fù)艿木嚯x進(jìn)行測定，并同時完成定位工作，利用位置、速度以及目標(biāo)物體的反射特征來完成識別，整個流程可以很好的展現(xiàn)發(fā)射掃描和信號接受技術(shù)，是目前最常用且最有效的一種主動要干工具。激光雷達(dá)可以在發(fā)射激光束后在不同時間段內(nèi)來接受回波的信號，而且在接收信號時可以通過激光的脈沖延時和光速來對大氣回?fù)艿嚼走_(dá)探測的距離進(jìn)行計算。激光雷達(dá)系統(tǒng)由以下幾個部分組成，分別是激光器、接收天線、發(fā)射器、探測器、信號處理和接受系統(tǒng)。

二、激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

1.氣溶膠和云的監(jiān)測。當(dāng)氣體或固體微粒通過均勻分布的形態(tài)而存在于大氣層中時，就會形成一種比較穩(wěn)定的懸浮體系，這一體系就是氣溶膠。雖然氣溶膠在大氣中的含量很低，但對大氣變化所產(chǎn)生的影響很大。這些小含量的氣溶膠也能對太陽輻射進(jìn)行散射和吸收，從而直接影響氣候，這種影響和氣溶膠自身的粒子形狀、化學(xué)組成以及分布狀態(tài)等有關(guān)。另外，大氣的氣溶膠也可以形成云的凝結(jié)核來影響云的壽命，從而以間接形式影響氣候變化，這些影響主要是太陽的反射效應(yīng)以及溫室效應(yīng)等。這些不能準(zhǔn)確預(yù)測的效應(yīng)，能夠?qū)^(qū)域內(nèi)甚至全球的氣候造成嚴(yán)重影響，所以分析大氣氣溶膠的化學(xué)和物理特性以及時空分布特點具有非常重要的實際意義。

目前，米散射技術(shù)是能夠應(yīng)用于大氣氣溶膠探測的技術(shù)，將米散射技術(shù)和激光雷達(dá)結(jié)合在一起，就形成了探測氣溶膠的激光雷達(dá)——米散射激光雷達(dá)。它最主要的特點是散射粒子的實際尺寸以及激光波長能夠處于相似或相近狀態(tài)，或是比入射激光波要長散射波光，甚至可以達(dá)到和入射光相同的水平，這樣可以在散射時少受光能交換，最終形成彈性散射。和其他光散射機(jī)制相比，米散射的散射面更高，所以在激光雷達(dá)的回波信號接收中能力就比較強(qiáng)。激光脈沖發(fā)射到大氣的過程中，存在于大氣層中的氣溶膠粒子或云粒子就會對這一路徑上帶有激光脈沖的粒子進(jìn)行散射，與位置有關(guān)且高度不同的后散射光的實際強(qiáng)弱會和高度位置中大氣氣溶膠的粒子以及云粒子的散射程度有關(guān);利用激光雷達(dá)可以探測到后向散射光，并且能夠利用米散射技術(shù)與雷達(dá)方程得出大氣氣溶膠粒子和云粒子在不同高度中的具體消耗系數(shù)。

2.大氣組分的探測。大氣分子和激光的非彈性作用這一過程就是Raman散射。這一散射中光波和入射光不同，因此成為這一散射的最主要特點。在散射的過程中，會有長波向短波方向移動的現(xiàn)象，與此同時，散射波的實際波長以及其向短波移動的距離會收到散射分子種類的影響，所以說Raman散射的波長和移動距離和散射分子的能量級別是有關(guān)聯(lián)的，分子的能級以及能量差會對分子的內(nèi)部特征造成影響，從而出現(xiàn)分子特征不同的現(xiàn)象。因此，要想得知散射分子的具體種類，就必須要測量散射波長以及移動的距離，進(jìn)而利用這一散射來對大氣的祖墳進(jìn)行更準(zhǔn)確的辨認(rèn)監(jiān)測。

Raman散射激光雷達(dá)目前只能探測大氣中濃度較高的組分，而類似臭氧、氮氧化物等這些濃度較低的大氣組分的探測對于大氣也有著重要意義。吸收相互作用在大氣與激光的相互作用中有著比較大的截面，另外，吸收也是一個與共振有關(guān)的過程，可以對大氣組分進(jìn)行辨認(rèn)，所以利用與吸收機(jī)制有關(guān)的激光雷達(dá)就可以對大氣中的臭氧、二氧化碳等濃度較低的組分進(jìn)行探測，從而實現(xiàn)對大氣所有組分的探測。在Raman散射激光雷達(dá)中，發(fā)射出的激光有兩種波長，其中一個波長必須在與探測大氣組分有關(guān)的強(qiáng)吸收線上，另一個則要與弱吸收線相吻合，由于這兩個波長比較相近，所以在大氣溶膠所造成的散射和消光上他們是相同的，所以只需要對大氣分子的具體吸收系數(shù)進(jìn)行探究，就可以根據(jù)兩個波長的數(shù)值來對大氣后向散射的回波信號進(jìn)行判斷，從而根據(jù)測量得到大氣分子濃度的垂直廓線。在最近幾年的發(fā)展中，由于大氣氣溶膠對探測精度會產(chǎn)生影響，而且需要對更多大氣組分進(jìn)行探測，所以還提出了有關(guān)紅外波段的探測技術(shù)。

3.大氣動力學(xué)參數(shù)的監(jiān)測。利用激光雷達(dá)所探測出的與大氣動力學(xué)有關(guān)的參數(shù)主要有四種，分別是溫度、湍流、風(fēng)力和重力波。在地面以上80-120千米的中間頂層以及電離層的底部，都具有很豐富的金屬蒸汽層，例如鈉、鉀、鈣、鐵等，將這些不同的金屬原子當(dāng)作示蹤物來對大氣動力學(xué)進(jìn)行研究是一種非常有效的方法。共振熒光的激光雷達(dá)探測能夠?qū)Ω邔哟髿獾臏囟?、重力和風(fēng)等內(nèi)容進(jìn)行探測，對大氣溫度的探測需要借助瑞利散射技術(shù)，將這一技術(shù)和激光雷達(dá)相結(jié)合就是瑞吉散射激光雷達(dá)。它主要是通過對大氣分子的瑞利散射來進(jìn)行利用，當(dāng)大氣保持平靜平衡狀態(tài)時，利用理想狀態(tài)的氣體有關(guān)方程可以反向驗算出大氣的具體溫度。一般情況下，探測范圍是30-80千米的中層大氣，利用大氣中某種氣體分子的純轉(zhuǎn)動以及拉曼散射的強(qiáng)度可以得知與大氣溫度有關(guān)系的函數(shù)關(guān)系，從而利用這一氣體分子的實際轉(zhuǎn)動拉曼輻射強(qiáng)度數(shù)值計算出大氣在對流層中的實際溫度。

結(jié)論

總之，激光雷達(dá)是目前對大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測的主要手段，它的抗干擾能力很強(qiáng)，并且能夠靈活監(jiān)測，能夠更準(zhǔn)確的分辨時空。利用激光雷達(dá)來對大氣實行監(jiān)測可以更高效地對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，從而建立理論模型，以便更好地應(yīng)對氣候變化，同時對于環(huán)境治理等有著非常重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]張振振 劉統(tǒng)玉 趙楊.激光雷達(dá)在大氣探測中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].光纖與光子傳感技術(shù)，2015（6）.

[2]黃思源 王界 全彩峰.激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[J].中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會，2016（10）.

[3]谷雨 鄭有飛 高慶先.第三代移動式大氣環(huán)境激光雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報，2017（6）.