激光雷達在大氣探測中的應用淺析

摘 要:激光雷達具有波束定向性強、探測波長短、能量密度高等特點，在大氣探測中能夠發揮空間分辨率高、探測靈敏度高等優點。文章分析了激光雷達大氣探測的基本原理，介紹了激光雷達的類型，探討了激光雷達在大氣探測中的具體應用，并提出一些觀點以供參考。

關鍵詞:激光雷達 大氣探測 散射

中圖分類號:TN958文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)08(b)-0095-01

激光具有方向性、單色性、相干性、高亮度、高能量、高功能等特點。激光雷達充分利用了激光的性能，將微弱信號探測技術、光學技術、激光技術集于一體，是一種先進的光學探測手段。近年來，激光雷達廣泛應用于陸地、海洋、大氣高精度遙感探測中。在大氣探測中，激光雷達主要用于探測污染環境氣體、大氣成分、大氣密度、大氣溫度等。

1 激光雷達大氣探測的基本原理

激光雷達的工作原理和普通雷達的工作原理相似，發射系統發出信號、接受系統收集、處理該信號和目標作用后的返回信號，從而獲得工作需要的信息。然而不同點在于，普通雷達所發射的信號是毫米波，而激光雷達所發射的信號是激光束，激光束的波長比毫米波的波長短。普通的無線電雷達因為波長過長，所以難以探測微粒型或小型目標;而激光雷達的激光波長可以控制在微米量級，所以激光雷達能夠較好地探測微粒型或小型目標。

激光雷達在大氣探測中的應用的基礎為大氣中的氣溶膠粒子、分子、原子和光輻射之間的相互作用。主要的物理過程表現為米散射、瑞利散射、拉曼散射、熒光散射以及共振色散等。米散射是由和激光波長相當的氣溶膠粒子所引發的散射現象，其入射激光波長和散射譜的中心波長相同，入射激光譜寬和散射譜的譜寬接近。米散射可以用于探測大氣氣溶膠。瑞利散射是由小于激光波長的散射體粒子的原子或分子所引發的散射現象，其入射激光波長也和散射譜的中心波長相同，大氣溫度變化影響著入射激光譜寬。瑞利散射可以用于測量大氣分子密度、大氣溫度等參賽。拉曼散射一般可以分為振動拉曼散射和轉動拉曼散射，是由大氣原子或分子所引發的一種非彈性散射，在各種散射機理中拉曼散射的散射截面最小，需要高效率的檢測和分光系統，由于拉曼散射的散射機理較為特殊，可以用于大氣成分、大氣溫度、水蒸氣密度的探測。

2 激光雷達的類型

目前，激光雷達分類方式有多種，例如按照激光雷達結構、工作空間或接收信號的方式進行分類。按照激光雷達的結構，激光雷達可以分成兩大類:雙穩態系統激光雷達和單穩態系統激光雷達。其中，雙穩態系統中的接收部分和發射部分放置在不同的地點，能夠有效地提高激光雷達的空間分辨率。不過，現在脈寬是ns級的激光就能夠提供非常可觀的空間分辨率，所以雙穩態系統使用較少。通常，單穩態系統是單端系統，即通過一個光學孔徑發射信號和接收信號，由發送/接收開關進行隔離。按照激光雷達的工作空間，激光雷達可以分為地對空探測激光雷達、機載激光雷達、車載激光雷達、船載激光雷達、星載激光雷達、地面固定式激光雷達等類型。激光雷達接收信號的方式不同，激光雷達的用途也就不同。激光雷達可以接收反射信號、吸收衰減信號、彈性散射信號(如，米散射、瑞利散射)、共振散射信號、拉曼散射信號、熒光信號、差分吸收散射信號等，從而發揮著不同的用途，形成不同的激光雷達。例如，吸收型激光雷達、散射型激光雷達、拉曼激光雷達、熒光激光雷達、差分吸收激光雷達等。

3 激光雷達大氣探測的具體應用

激光雷達的探測波長短、能量密度高、波束定向性強，具有很高的探測靈敏度和空間分辨率，能很好地分辨被探測物體，探測時不存在探測盲區。由于激光雷達相對于普通雷達的優勢較大，目前激光雷達探測已經成為了大氣、陸地、海洋高精度遙感探測的重要方法，廣泛應用于定位、航天、導航、通信、環境檢測等高新技術領域。激光雷達大氣探測的具體應用表現在大氣污染探測、大氣溫度探測、大氣密度探測等方面。現就激光雷達大氣及其污染探測展開探討。

激光雷達用于大氣及其污染探測時，可以根據實際探測需要，靈活選用地對空激光雷達、機載激光雷達、星載激光雷達、地基固定式激光雷達進行探測。在具體探測中，根據探測目標選用恰當的激光雷達系統。例如，選用米散射激光雷達對大氣氣溶膠和懸浮塵埃進行探測。氣溶膠導致了許多環境污染問題，比如煙霧事件、酸雨形成、臭氧層破壞等，探測分析大氣中的氣溶膠，可以更好地進行環境保護工作。當激光和大氣粒子相互作用時，米散射有著最大的微分散射幾率，米色散比瑞利散射和拉曼散射的微分散射幾率要高得多。即使大氣中只有少量的氣溶膠或低濃度懸浮塵埃，米散射也能夠探測出污染物成分和污染程度，獲得較高精確度的基礎性數據，促進大氣評估的定量化研究，提高大氣污染監控的有效性，為相關決策提供客觀依據。

瑞利散射激光雷達能夠有效探測對大氣臭氧層構成破壞的氟利昂系列。瑞利散射有著較大的后向散射截面，是大氣分子或源自的彈性散射。所以，瑞利散射激光雷達可以用于探測中層大氣成分變化情況。拉曼散射是由激光作用于大氣物質粒子而引發的非彈性散射，散射物體成分決定了入射光子和散射光子能量之差。拉曼散射能夠用于監測汽車、工廠排放的羽狀污染源。近年來，差分吸收激光雷達的探測靈敏度越來越高，在城市污染源和城市大氣環境的高分辨率探測中都獲得很好利用。差分吸收激光雷達探測的主要對象是有機氣體、氣溶膠、二氧化硫、氧化氮等。差分吸收激光雷達系統較好的利用了差分吸收測量技術和大氣對光的米氏彈性散射原理，能夠對大氣對流層的飄塵、二氧化氮、二氧化硫、臭氧等的動態變化和三維空間分布進行有效的探測。

4 結語

綜上所述，由于激光束的波長比毫米波的波長短，激光雷達能夠更加有效地探測微粒型或小型目標，激光雷達比普通雷達在大氣探測中根據優勢。近年來，在污染環境氣體、大氣成分、大氣密度、大氣溫度等探測中，激光雷達已經獲得了廣泛的應用。在具體探測中，需要根據不同的探測目的，選用恰當的激光雷達。例如，探測大氣氣溶膠，可以選用米散射激光雷達;探測大氣氣體成分，可以選用熒光激光雷達、拉曼散射激光雷達、或差分吸收激光雷達;探測大氣分子密度，可以選用瑞利散射激光雷達。

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