淺談激光雷達(dá)技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

摘要：本文將從當(dāng)前大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的概況出發(fā)，闡述激光雷達(dá)技術(shù)的價(jià)值和作用，對(duì)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)運(yùn)用激光雷達(dá)技術(shù)的主要途徑進(jìn)行分析與探究，希望為相關(guān)人員提供一些幫助和建議，更好地開(kāi)展大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。

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

引言：激光雷達(dá)技術(shù)屬于一種新興的監(jiān)測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)人員使用激光雷達(dá)的設(shè)備能夠?qū)Υ髿饽芤?jiàn)度、密度以及氣溶膠等方面展開(kāi)全方位、多角度的監(jiān)測(cè)，具有可靠性、分辨率高的特點(diǎn)，有效反映出當(dāng)?shù)卮髿赓|(zhì)量狀況，為環(huán)境質(zhì)量改善提供參考和借鑒。從這個(gè)角度來(lái)看，應(yīng)積極研究大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)運(yùn)用激光雷達(dá)技術(shù)的途徑。

一、當(dāng)前大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的概況

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的加快和人民群眾綜合生活水平的提升，人們有了更高的環(huán)境要求。然而，大量的人類活動(dòng)不可避免地產(chǎn)生了各類城市環(huán)境污染現(xiàn)象，降低了大氣能見(jiàn)度，危害著人民群眾的身體健康，并在一定程度上增加了社會(huì)的不安定因素，帶來(lái)了較大的負(fù)面影響?？諝猸h(huán)境檢測(cè)是環(huán)境監(jiān)測(cè)工作不可缺少的一部分，借助全面的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，工作人員能夠?qū)諝猸h(huán)境的情況有一個(gè)準(zhǔn)確的把握，將全面的數(shù)據(jù)支持提供給環(huán)境質(zhì)量的改善工作。當(dāng)前的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)工作通常借助自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器來(lái)分析大氣的氣態(tài)污染物、顆粒物含量，而立體性的大氣監(jiān)測(cè)相對(duì)較少。

二、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)運(yùn)用激光雷達(dá)技術(shù)的主要途徑

（一）監(jiān)測(cè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

根據(jù)激光雷達(dá)技術(shù)，大氣環(huán)境的動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要有湍流、重力波、風(fēng)、溫度等。在地面高度100千米的高度，大氣的金屬蒸汽較為豐富，將金屬原子當(dāng)成反饋物質(zhì)來(lái)研究大氣動(dòng)力學(xué)能夠大大提升大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的效率。監(jiān)測(cè)高層大氣的重力波、風(fēng)、溫度時(shí)，監(jiān)測(cè)人員應(yīng)積極運(yùn)用熒光共振激光雷達(dá)設(shè)備，借助該設(shè)備對(duì)金屬原子進(jìn)行探測(cè)，比如Na熒光共振雷達(dá)、Li熒光共振雷達(dá)等。探測(cè)大氣溫度時(shí)，監(jiān)測(cè)人員應(yīng)運(yùn)用激光雷達(dá)技術(shù)中的瑞利散射技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)Υ髿馊鹄⑸溥M(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)氣體狀態(tài)方程對(duì)大氣環(huán)境溫度進(jìn)行反演，通?？杀O(jiān)測(cè)高度為30千米至80千米。借助部分氣體分子的拉曼散射函數(shù)，測(cè)量并得出其拉曼散射強(qiáng)度，同時(shí)獲取大氣環(huán)境具體溫度。

受觀察者運(yùn)動(dòng)、波源運(yùn)動(dòng)所影響，大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)工作容易遇到波源頻率、觀測(cè)頻率不一致的問(wèn)題，該現(xiàn)象又叫作多普勒效應(yīng)，基于此效應(yīng)原理的激光雷達(dá)叫作多普勒激光雷達(dá)設(shè)備。由于多普勒的移動(dòng)方向、頻移大小會(huì)受到激光束方向、大氣分子運(yùn)動(dòng)方向二者的夾角所影響，因此監(jiān)測(cè)人員能夠借助散射光的監(jiān)測(cè)工作獲得多普勒移動(dòng)量，進(jìn)而計(jì)算出大氣風(fēng)速。除此之外，監(jiān)測(cè)人員在監(jiān)測(cè)風(fēng)速時(shí)能夠分析風(fēng)速分量、計(jì)算能譜密度。

（二）監(jiān)測(cè)大氣組分

大氣分子和激光間的彼此作用會(huì)產(chǎn)生Raman散射（以下簡(jiǎn)稱R散射），R散射最主要的特征便是入射光、散射光二者波長(zhǎng)不一致，形成短波方向、長(zhǎng)波方向一定程度的移動(dòng)，并且散射分子類型、波長(zhǎng)移動(dòng)距離間存在直接關(guān)系。R散射的波長(zhǎng)移動(dòng)能夠?qū)?yīng)散射分子能量差，且這種分子差是固有的分子特點(diǎn)。由此不難得出，通過(guò)散射波長(zhǎng)移動(dòng)的距離便能將散射分子類型確定下來(lái)，從而使用R散射來(lái)監(jiān)測(cè)大氣組分。

R散射激光雷達(dá)設(shè)備能夠?qū)Ω邼舛却髿饨M分進(jìn)行探測(cè)，但低濃度大氣組分也是大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的重要監(jiān)測(cè)內(nèi)容。根據(jù)大氣、激光的作用機(jī)制，其吸收的截面作用范圍相對(duì)較大。由于吸收屬于共振的反映過(guò)程，能夠?qū)Υ髿饨M分加以分辨，因此監(jiān)測(cè)人員能夠借助吸收機(jī)制開(kāi)展大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，對(duì)應(yīng)的設(shè)備為吸收激光雷達(dá)設(shè)備。借助該設(shè)備，監(jiān)測(cè)人員能夠?qū)Υ髿饫锏亩趸?、氮氧化物、臭氧、水汽等低濃度大氣組分進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)微量組分的目的。此種雷達(dá)能夠?qū)﹄p波長(zhǎng)激光進(jìn)行發(fā)射，激光的兩個(gè)波長(zhǎng)極為接近，二者分別處在分子強(qiáng)吸收線、弱吸收線上。正因二者接近，監(jiān)測(cè)人員能夠認(rèn)定氣溶膠會(huì)對(duì)二者產(chǎn)生同樣的消光與散射，這樣一來(lái)，只需獲得大氣分子吸收參數(shù)便能根據(jù)其后向散射信號(hào)回波對(duì)大氣分子濃度進(jìn)行探測(cè)。伴隨該技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸演變出R散射吸收技術(shù)與紅外波段差分技術(shù)等多個(gè)分支。

（三）監(jiān)測(cè)氣溶膠

氣溶膠指的是大氣中分布的、由固體微?；蛞后w組成的、穩(wěn)定性較高的懸浮體系。一般來(lái)說(shuō)，大氣中的氣溶膠含量較低，但其對(duì)環(huán)境的影響卻極大。氣溶膠粒子在大氣中能夠?qū)μ?yáng)輻射進(jìn)行散射與吸收，使地氣系統(tǒng)內(nèi)在的輻射穩(wěn)定性受到干擾，出現(xiàn)直接氣候效應(yīng)，具體影響程度由氣溶膠粒子形狀、分布、化學(xué)成分等方面決定。

運(yùn)用激光雷達(dá)技術(shù)開(kāi)展氣溶膠監(jiān)測(cè)工作的過(guò)程中，需要采用Mie散射激光雷達(dá)設(shè)備。根據(jù)Mie散射的原理，離子散射尺寸接近于入射激光的實(shí)際波長(zhǎng)，有時(shí)可能會(huì)大于入射激光的實(shí)際波長(zhǎng)，入射光、散射光二者的波長(zhǎng)基本一致。比起其它種類的光散射，Mie散射具有更大的散射截面，這使得其激光雷達(dá)設(shè)備能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的回波信號(hào)，在激光脈沖向大氣方向射入后，大氣里的云粒子、氣溶膠粒子會(huì)將發(fā)射路徑消光、散射，而后向散射光的高度和當(dāng)前高度氣溶膠粒子基本特性存在直接關(guān)系，后向散射光能夠被激光雷達(dá)準(zhǔn)確探測(cè)，監(jiān)測(cè)人員借助Mie散射公式算法變能對(duì)氣溶膠粒子消光參數(shù)進(jìn)行反演。西方發(fā)達(dá)國(guó)家的激光雷達(dá)技術(shù)運(yùn)用相對(duì)較早，其Mie散射激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)氣溶膠的各方面研究也更為深入，部分學(xué)者曾對(duì)比大渦模擬、Mie散射監(jiān)測(cè)，部分學(xué)者則將Mie散射監(jiān)測(cè)獲取的大氣參數(shù)當(dāng)成傳輸輻射模式，構(gòu)建了全面的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)模型，得出氣溶膠含量過(guò)多會(huì)使大氣產(chǎn)生其后強(qiáng)迫效應(yīng)，容易加劇全球氣候變化。

結(jié)語(yǔ)：總而言之，研究大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)運(yùn)用激光雷達(dá)技術(shù)的主要途徑具有重要的意義。相關(guān)人員應(yīng)對(duì)當(dāng)前大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的概況有一個(gè)全面了解，充分把握激光雷達(dá)技術(shù)的價(jià)值和作用，能夠?qū)⒓す饫走_(dá)技術(shù)運(yùn)用于監(jiān)測(cè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)、大氣組分以及氣溶膠等大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中，從而提高大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的質(zhì)量和效率。

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作者簡(jiǎn)介：孫亢;1990年 9月;男;漢族;陜西省安康市白河縣;本科;助理工程師;環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境工程。