大氣激光雷達技術的研究進展

姚 歡，倪曉昌，王 宣

（天津職業技術師范大學電子工程學院，天津 300222）

激光雷達誕生于20世紀60年代，自其誕生以來，激光憑借高亮度性、高單色性、高相干性和高方向性等特點獲得了飛速的發展[1]。激光問世后的第2年，科學家就提出了激光雷達系統的設想[2]。測距技術是激光雷達最原始的應用，經過50多年的發展，激光雷達現已用于跟蹤、掃描成像、多普勒成像等多領域中，并且隨著激光雷達應用領域的不斷擴展，激光雷達已發展成為一類集多種功能于一體的系統[2]。與微波雷達相比，激光雷達的波長很短，兩者相差3個數量級，且激光的單色性好，故呈現出較強的抗干擾能力和較高的分辨率，這也是激光在各領域中能廣泛應用的重要原因之一[3]。其應用領域涉及軍事、醫學、科學研究和環境監測等，特別是在大氣檢測方面顯示出了獨特的優勢和廣闊的發展前景。針對世界各國對大氣環境的日益重視，本文主要介紹激光雷達在大氣方面的應用，著重剖析其在氣溶膠、云和邊界層、大氣成分、溫度以及反演PM2.5濃度的精度測算等方面的成果，進一步預測未來大氣激光雷達的發展趨勢。

1 大氣激光雷達簡介

國外在較早期已能夠利用激光雷達對大氣進行檢測，目前已建有多個激光雷達觀測站[4]，其中包括意大利那不勒斯觀測站、美國激光雷達觀測站、印度尼西亞斯馬特拉島觀測站等。其中，美國對空基激光雷達在大氣檢測方面的應用較為成熟，1994年9月，美國利用“發現號”航天飛機搭載激光雷達發射成功，完成了世界上第一次激光雷達空間技術實驗（Lidar In-space Technology Experience，LITE）；又于 2000 年后發射了五顆搭載激光雷達儀器的衛星，為地球科學提供了大量的相關數據[5]。俄羅斯研制了一種遠距離地面的激光雷達毒氣報警系統，這一系統是通過對氣溶膠的特性研究獲得的，通過對化學毒劑的實時探測，從而確定毒劑氣溶膠云的離地高度、中心厚度以及斜距離等相關參數，從而為人們提供預警[6]。此外，德國也研制出了一種可發出40個不同頻率激光的連續波CO2激光雷達，可識別和探測9～11 μm波段光譜能量的化學戰劑，可為大氣環境的檢測提供有效的數據[7]。

與此同時，國內對激光雷達的應用和研究也在迅猛發展，20世紀六七十年代，中國科學院大氣物理所在周秀驥院士、呂達仁院士、趙燕曾研究員等主持下成功研制出了我國第一臺米散射激光雷達，同時開展了有關云和氣溶膠特性的探測工作[8]。隨著激光雷達在大氣檢測方面應用的不斷發展，目前我國已經建立了12個沙塵暴長期觀測站[3]。隨著應用的不斷擴大，國內已有許多單位開始運用激光雷達系統進行大氣參數的探測研究，如安徽光學精密機械研究所、中國海洋大學、中國科學技術大學、上海光學精密機械研究所、武漢大學、蘭州大學等。

激光雷達監測環境大氣的工作原理是：激光器發射激光脈沖，與大氣中的氣溶膠及各種成分作用后產生后向散射信號，系統中的探測器接收回波信號，并對其進行處理分析，從而得到所需的大氣物理要素[8]，具體原理如圖1所示。

圖1 激光雷達監測環境大氣的工作原理圖

激光雷達按激光器工作物質的不同可以分為固體激光器、半導體激光器和氣體激光器[9]。固體激光雷達主要用于檢測能見度、霧、云、溫度分布、大氣氣溶膠以及大氣中有害氣體的成分。半導體激光雷達的優點主要表現在尺寸小、驅動簡單和價格低等，這就為其用于測量云底高度提供了可能性。而氣體激光雷達中，二氧化碳激光器是最具代表性的激光器，探測距離較遠是其最顯著的優勢，工作主要處于紅外波段，大氣傳輸過程中衰減小，為環境和大氣風場的監測工作做出了很多貢獻。

2 云、氣溶膠和邊界層的探測

氣溶膠、云和邊界層是影響氣候變化的3個重要因素，它們的變化往往會影響到大范圍區域內的天氣變化[10]。大氣氣溶膠系統的作用是復雜的，懸浮于大氣中的微粒的直接相互作用可以將太陽光反射或者吸收，這些顆粒還可以間接地改變云的性質。對于天氣的變化，云層不僅僅可以起到指示的作用，還可以對其進行調節，此外，地球氣候系統的輻射能量收支也可以通過云經行調控，所以全球氣候在很大程度上會根據云參數的變化而變化[11]。邊界層高度的確定與云、氣溶膠特性變化規律同等重要，是大氣邊界層的重要參數，所以對于空氣污染物的傳輸模式、擴散以及污染物預報模式而言，確定邊界層并準確掌握其變化規律是首要任務。

國外利用激光雷達對于云、氣溶膠以及邊界層的研究較深入，歐美等國家都相繼展開了利用一些星載激光雷達對云、氣溶膠及邊界層進行探測的工作[10，12-13，16]。美國是這方面的先行者，繼1994年9月，利用“發現號”航天飛機搭載激光雷達成功發射之后，于2003年又利用 ICESaT（Ice，Cloud and Land Elevation Satellite）衛星成功搭載了GLAS（Geosciences Laser Altimeter System）激光雷達，這是一臺在軌運行的星載激光雷達測高儀，它可以精確地對云、氣溶膠及邊界層的相關特性進行探測[12]。除此之外，歐空局于2008年發射由ADM-Aeolus（Atmospheric Dynamics Mission Aeolus）衛星所搭載的ALADIN（Atmospheric Laser Doppler Lidar Instrument）大氣多普勒激光雷達，實現了對30 km以上地球大氣風速分布的測量；2013年歐空局又提出了研究對地監測的新方法，ALADIN現能掃描各個方向的光束，包括衛星的背面，它通過比較多普勒頻移造成的光頻移動，就能測量大氣中的分子運動，由此能推算風速，并獲得云、氣溶膠的相關特性[13]。

目前，在氣候研究中應用最廣泛激光雷達的是美國航天航空局于2006年4月28日由德爾塔-Ⅱ火箭搭載發射成功的CALIPSO（Cloud-Aerosols Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations）衛星上的云-氣溶膠正交偏振激光雷達CALIOP（Cloud-Aerosols Lidar and Orthogonal Polarization）[12-13]。CALIOP 是一臺偏振敏感雙波長激光雷達，系統中的激光器可以分別發射532 nm和1064 nm波長的激光作為的輸出脈沖，532 nm通道獲得的回波信號可以進行正交偏正檢測，從而分辨云的冰相和水相，而氣溶膠的尺寸可以通過兩波長之間的后向散射信號差來區分。該激光雷達可提供30 m的垂直分辨率，隨著衛星繞地探測，為大氣科學提供了豐富的氣溶膠垂直分布和云的特性信息。CALIOP是典型的空基激光雷達，由于高空的空氣質量明顯高于低空，激光的衰減較小，故在垂直高度上能測量出更長距離的高空數據。另一方面，隨著衛星圍繞地球做周期性的運動，它可以進行全球范圍的觀測，包括沙漠、海洋、南北極等其他激光雷達難以觀測到的地區。CALIOP能夠獲得高空、遠距、長期、季節性的數據，這為氣象監測工作提供更加全面的信息。CALIOP的觀測結果可以用來作為模式輸入，與模式結果進行比較，以驗證模式結果或其他觀測工具的觀測結果。CALIOP在氣候研究中的主要應用包括探測氣溶膠的垂直分布和水平特征，診斷云量和云的垂直分布，計算云和氣溶膠的光學特征，估計火災、火山爆發、風暴等對氣溶膠濃度的影響等，通過這些計算和分析可了解氣溶膠和云的變化規律，從而更加清晰地認識它們是如何影響氣候的[10]。

圖2和圖3分別為利用CALIPSO 2014年2月9日與2月15日，波長為532 nm的激光數據測得的天津地區（以北天津為中心方圓100 km半徑區域）氣溶原始數據，結合自編品質篩選技術，利用數據中的消光QC標志（Extinction QC Flag）、云和氣溶膠得分（CAD Score）、大氣容量描述（Atmospheric Volume Description）及其相關不確定性參數，編寫Matlab程序進行篩選而獲得的大氣中氣溶膠的平均消光。根據國家監測點對京津冀地區的空氣質量檢測結果，2月9日空氣質量為優，2月15日為重度污染。從圖中可以看出，2月15日氣溶膠平均消光無論從區域還是程度上都明顯大于2月9日，即2月9日的空氣質量明顯優于2月15日。一方面，如圖3所示，2月15日氣溶膠的消光系數在高度約1.2 km處達到飽和，低于該高度時，基本無法探測到相關的氣溶膠消光系數，這說明低空大氣污染較為嚴重，懸浮在空氣中的顆粒物將用于探測的激光能量全部吸收，故探測不到回波信號。另一方面，圖2中篩選過的平均消光系數變化范圍基本在0～0.3之間，而圖3中的變化范圍基本在0～1.2之間，即2月15日的平均消光系數的變化范圍約是2月9日的4倍，故2月9日的大氣狀況要優于2月15日。這都充分說明了CALIPSO測量數據與地面監測站所獲得數據的一致性。

圖2 2014年2月9日天津地區大氣氣溶膠平均消光高度分布曲線

圖3 2014年2月15日天津地區大氣氣溶膠平均消光高度分布曲線

除此之外，一些學者使用米散射、偏振、微脈沖、共振熒光激光雷達對不同區域進行了探測，并根據探測及反演得到的距離平方校正后向散射系數、回波信號、消光系數、退偏振率、散射比等物理量來分析和研究云和邊界層、對流層、平流層的氣溶膠的結構特征及時空分布，并對這些特征的成因做了進一步的討論分析[14-16]。

中科院安徽光學精密機械研究所大氣光學中心成功研制了一臺拉曼-米-瑞利散射多參數大氣測量激光雷達系統，并利用其拉曼-米散射通道采集數據，對邊界層內532 nm大氣氣溶膠后向散射系數、消光系數以及激光雷達比（即消光后向散射比）進行了定量的測量[17]。此外，他們還利用研制的激光雷達，實現了對夏秋季節合肥地區氣溶膠光學特性的測量。結果表明，激光雷達比垂直廓線沒有明顯的突變，這說明夜間近地面氣溶膠微物理性質相同，且混合較均勻。夏季氣溶膠的激光雷達比平均值相對較大，秋季較小，但總體變化不大。夏秋季氣溶膠激光雷達比稍有不同的原因可能與氣溶膠組成成分略有變化或者氣象因素有關。在夏秋兩季節內，激光雷達比各天觀測結果變化不大，由此可以得出，在同一季節內，氣溶膠的組成成分和微物理特性相同。表1給出了532 nm波長氣溶膠激光雷達比的相關研究報道，其中包括人類活動產生的燃燒煙灰、城市和工業生產排放的污染物氣溶膠以及自然產生的海鹽、沙塵和清潔陸地型等主要類型的氣溶膠。表1給出的數據及根據散射模型模擬計算獲得的結果顯示，海鹽類氣溶膠粒子產生的激光雷達比在20～30 sr之間；沙塵氣溶膠的激光雷達比在20～40 sr之間；生物質燃燒、人類活動產生的城市顆粒物以及工業污染生成的煙灰氣溶膠的激光雷達比在40～90 sr之間。整個實驗期間觀測的激光雷達比在43～72 sr之間，總平均值為57.9 sr，與表中給出的一些激光雷達比研究類似，尤其與文獻[18]有較好的相似性。結合合肥地區城市活動和周邊工業情況，初步判斷，該地區邊界層氣溶膠應屬于包含工業和城市污染物粒子的污染型陸地氣溶膠[17]。

表1 532 nm波長氣溶膠激光雷達比的相關研究報道

氣溶膠、云和邊界層在地球輻射平衡、降水及云形成、各種非均勻和光化學反應中都扮演著十分重要的角色。目前使用激光雷達已可以成功探測物質燃燒、霧霾、煙塵、沙塵污染等各種類型氣溶膠的光學特性、垂直分布、時空變化及濃度等[16]。

3 大氣成分的探測

環境問題已成為當今社會的一個敏感話題，大氣層環境的變化直接影響著人類的生存和經濟的發展[29]。差分吸收激光雷達是最早應用于測量大氣成分的儀器，它可以重復性測量大氣痕量氣體（CH4、CO2、NO2、SO2、O3等）。自 1975 年起，國外就開始使用這種儀器來探測大氣成分，之后利用該類型激光雷達測量臭氧及其他痕量氣體的技術就不斷地在各個國家新興起來[29]。

目前監測網中大部分O3、NO2和SO2的監測設備均為基點式儀器，該種設備無法監測大氣中相關氣體的空間分布信息。習慣上，一般都是利用球載探測儀來探測O3、NO2和SO2的空間分布數據，但通過此方式獲得的數據一般空間和時間分辨率都不高，為此，在國家863計劃信息獲取與處理技術主題和中國科學院的支持下，2002年6月，我國自主研制了車載測污激光雷達系統，其各污染物測量精度均很高[30]，主要技術指標如表2所示。

表2 AML-1車載激光雷達系統技術指標

與此同時，張寅超等[31]運用該系統首次給出了北京市近地面層大氣O3、NO2和SO2的激光雷達測量數據，他們分別對中科院大氣物理研究所鐵塔分部和北京市大興區北藏鄉進行了大氣O3、NO2、SO2以及氣溶膠的實驗監測，首次給出了北京市近地面層大氣O3、NO2、SO2的激光雷達測量數據，并且將地面儀器的監測數據與所得的測量數據進行了比對。結果顯示，該激光雷達的O3、NO2、SO2測量值與地面儀器的測量數據基本相符，相關系數分別可達到0.88、0.75和0.90，這表明車載測污激光雷達的測量結果可信度是很高的。

4 溫度的探測

激光雷達對大氣溫度的探測也起著至關重要的作用，主要有以下3種：瑞利散射激光雷達、拉曼激光雷達和高光譜分辨率激光雷達[32-35]。

目前，瑞麗散射激光雷達憑借其空間分辨率高、探測靈敏度高和探測無盲區等優點，廣泛應用于大氣溫度探測中。Fiocco等早在1971年就已成功利用瑞利散射激光雷達對大氣溫度進行了測量。除此之外，拉曼激光雷達在溫度探測方面的應用也是比較常見的，該類型激光雷達根據其工作方式的不同可分為轉動型和振動型。轉動拉曼散射激光雷達可以實現對底層大氣溫度分布的測量，其探測主要是通過利用溫度與分子的轉動譜線強度的關系實現的，而探測對流層中上部大氣溫度分布則可以通過振動拉曼散射激光雷達接收到的回波信號獲得。

早在1967年，Leonard就首次提出了利用振動拉曼散射激光雷達來探測大氣溫度，并且成功利用波長為337.1 nm的激光探測到了1.2 km以內大氣中的氮氣濃度，與此同時還利用激光雷達接收了波長為365.8 nm的氮氣的一級斯托克斯振動譜線。2011年西安理工大學的解貞等[36]依托西安理工大學大氣遙感研究中心的同軸激光雷達研究平臺，建立了拉曼激光雷達系統，對純轉動拉曼散射激光雷達實現邊界層底層大氣溫度的高精度探測進行了分析。據研究，拉曼回波散射信號的散射強度比值可以達到3.5 km左右，且在3.5 km以內溫度下降率可達到3 K/km。此外，他們還利用探空氣球對系統進行了標定，研究表明，實測拉曼激光雷達溫度廓線與探空氣球探測到的溫度廓線初步實現了良好的吻合。在此基礎上，解貞[36]利用拉曼激光雷達系統對西安城區大氣進行了實驗觀測，結果表明，該系統的最低測溫能力為2 km，相較于瑞利散射，其抑制率得到了很大的提高，系統的探測能力也得到了良好的改善。

瑞利-拉曼散射激光雷達則結合了兩種激光雷達的優點，能對各高度的溫度廓線實現高分辨率、高靈敏度的探測。2004年，中國科學院安徽光學精密機械研究所的吳永華等[37]成功實現了利用瑞利-拉曼散射激光雷達探測大氣溫度分布。該激光雷達主要用于夜晚探測大氣的溫度分布，系統采用Nd：YAG激光器，三倍頻后輸出波長為355 nm的激光作為輸出脈沖。為了獲得對流層和平流層中上部大氣溫度的垂直分布廓線，吳永華等人采用弱光子計數技術，較準確地檢測出了大氣中分子振動拉曼散射和瑞利散射回波，并由此分析得到了對流層和平流層中上部大氣溫度的垂直廓線分布。為了保證所得數據的可靠性，其觀測結果還分別與HALOE/UARS衛星和無線電氣象探空儀獲得的數據進行了比較。激光雷達獲得的平流層溫度垂直分布廓線和HALOE衛星進行比對結果顯示，當高度處于25～65 km時，它們測量獲得的結果具有較好的一致性，20個夜晚的平均溫差小于2 K；而對流層溫度廓線與無線電氣象探空儀進行比對表明：當高度處于5～18 km時，其溫度反映了基本一致的分布趨勢，在6～16.5 km高度內，15個夜晚的平均溫差小于3 K。這些結果都從一定程度上說明了瑞利-拉曼散射激光雷達對大氣溫度分布測量的準確性與可靠性。

2010年南京信息工程大學的卜令兵等[38]聯合中科院安徽光學精密機械研究所大氣光學中心，為獲取高時空分辨率的大氣溫度的垂直分布，建立了用于大氣溫度廓線測量的瑞利-拉曼激光雷達。該系統發射波長為532 nm、頻率為20 Hz、能量為200 mJ的激光作為輸出脈沖，接收系統采用直徑為400 mm的卡塞格林望遠鏡，主要用于接收發射激光脈沖與大氣中的各種成分作用后產生的回波信號。為了減小望遠鏡的場視角，系統在近焦點處設置了一小孔，用來減少背景噪聲。系統配備光束準直系統，接收到的后向散射信號經準直系統后，通過窄帶濾波片分別進入米、瑞利、拉曼3個通道。拉曼通道主要用于探測N2分子的拉曼散射，再將測量獲得的N2分子的濃度與米通道測量獲得的氣溶膠特性相結合，從而反演出低空大氣溫度；米通道主要用來測量對流層以內氣溶膠的光學特性，它采用的方式是模擬探測；利用瑞利通道可以獲得532 nm信號不同程度的衰減，這樣可以同時實現對低空氣溶膠和高空溫度的探測。在數據處理方面，為了提高信噪比，系統主要是通過扣除背景噪聲和小波算法來實現。為了確保觀測數據的可靠性，卜令兵等人還將觀測結果與大氣模式數據和衛星觀測結果進行了對比分析，結果均呈現較好的一致性，由此進一步證明了激光雷達在溫度測量方面的可靠性。

高光譜激光雷達相較于瑞利、拉曼散射激光雷達，是一種精度更高的激光雷達。高光譜激光雷達的探測原理是利用大氣分子引起的瑞利散射光譜寬度依存大氣溫度，通過使用單頻率脈沖激光器，高光譜分辨率分光器從大氣散射中分離瑞利散射和米散射光譜。在數據反演中借助于同時獲得的瑞利散射信號，可以不需要對大氣粒子后向散射系數和消光系數進行假設，直接導出消光系數，從而實現高精度的氣溶膠探測，提高了參量反演的準確性。目前，利用高光譜分辨率激光雷達對氣溶膠光學特性進行探測是研究的熱門課題。歐洲空間局、美國國家航天航空局、日本的國立環境研究所以及國外很多高校都在展開對該種激光雷達的研究。

5 激光雷達探測反演PM2.5濃度

PM2.5是目前環境空氣檢測中比較受關注的一項指標，人們可以通過它來判斷空氣污染情況，它對空氣的質量和能見度等都有著重要的影響。

2013年濟南市環境監測中心站的何濤等[37]利用激光雷達系統對PM2.5濃度的精度進行了研究，給出了布設在中科院大氣物理研究所鐵塔上的BAM-1020顆粒物檢測儀和激光雷達測量數據的對比觀測結果。此外，他們還于2011年9月至10月之間進行了為期一個月的對比試驗，觀測PM2.5濃度與激光雷達探測到的氣溶膠消光系數的相關性，結果表明，兩者之間具有良好的相關性。為了研究在垂直高度上反演的精度，他們利用線性回歸模型建立了顆粒物濃度與消光系數之間的關系式，再結合鐵塔實測的PM2.5濃度，完成了對反演精度的探究。研究結果顯示，激光雷達的反演結果與實測之間的相關系數基本均可達到0.9以上，兩者之間的高相關性說明了激光雷達反演PM2.5的可靠性，這就為利用激光雷達研究大氣中顆粒污染物的濃度及其空間分布狀況提供了可能性，并為區域大氣聯防聯控提供數據、制定政策。

此外，上海復旦大學的焦艷等[39-40]于2011年1月至2012年12月，利用位于上海市楊浦區復旦大學校園內的大氣氣溶膠觀測站，對氣溶膠的濃度、光學特性等進行了為期2年的觀測[39]。通過數據反演計算，得到氣溶膠消光系數的垂直分布，進而可以直接獲得氣溶膠光學厚度和大氣混合層高度。通過獲得的數據，對上海城區氣溶膠光學特性的變化特征和大氣PM2.5質量濃度做出了統計結果：上海城區大氣PM2.5質量濃度年均值可達到（43.8±28.7）μg/m3，超過了 PM2.5二級濃度限制，24 h內平均值的一、二級達標率分別為47.9%和87.1%。夏季PM2.5質量濃度最低，冬季最高，春秋季節則介于中間位置；但春秋季節的PM2.5質量濃度相對集中，冬夏季節則相對分散。另外，PM2.5質量濃度的季節性變化也受氣象要素的制約，例如，降水對PM2.5有一定的去除效應；氣溶膠的濃度和來源受風速風向的影響；PM2.5質量濃度與氣溫也有一定的相關性等。綜合以上各種因素，上海城區呈現出了夏季PM2.5質量濃度低于冬季的空氣狀況。此外，上海地區PM2.5質量濃度每天基本于凌晨1時和5時達到峰值[40]，對上海地區的季節性和每天的變化情況給出了量化表征。

6 發展趨勢

除此之外，激光雷達還能對大氣成分、能見度、水汽、風、鈉層等進行探測，由此可見它在大氣監測方面的應用非常廣泛。在過去的幾十年中，激光雷達作為一種新興的主動遙感工具在測量精度、空間分辨率、探測跨度等方面所具有的優勢已使它被廣泛應用于大氣遙感、氣象與氣候、大氣科學等領域。但是目前激光雷達的發展并不成熟，這主要源于其較高的技術難度。現階段激光雷達在實際中的應用仍有缺陷，例如，較窄的波束加大了空間獲取的難度，因而捕獲目標只能控制在較小的范圍內；受天氣影響較明顯，不能在一些天氣（雨、雪、霧）下工作；其精度受大氣光傳輸效應的影響，因此無法全天工作等等。盡管如此，激光雷達還是受到了國內外研究學者的重視與關注，并提出了一系列的新技術以及數據處理和反演的新方法。目前，激光雷達探測大氣的時間分辨率不斷的提高，探測的跨度范圍不斷延伸。激光雷達的發展方向越來越廣：它由僅夜晚探測向白天夜晚均可探測發展，由單一波長向多波長發展，由單一探測功能向多探測功能發展。激光雷達現在已擁有若干區域性大面積空間覆蓋的陸基激光雷達觀測網，這樣不僅能夠獲取區域性的大氣參數三維空間的分布特征，而且能夠滿足對氣候、氣象、環境等方面的研究和相關科研人員對探測數據的需求。

基于激光雷達在大氣探測方面的特有優勢以及世界各個地區激光雷達數據資料的不斷累積，它一定會在天氣預報模式與氣候模式的資料同化系統中發揮更大的作用，并為氣候方面的相關研究做出更大的貢獻。

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