激光遙感技術在大氣參數測量中的應用

□李 雪

激光雷達的早期應用主要是精密測距。例如，用激光雷達測量地球上一點到月球的距離，測量精度能達到幾厘米。利用地面激光雷達對衛星合作目標的精密測距和跟蹤，可進行地震預報。為此，可把一個帶有后向反射器的衛星發射到5，900 公里高的軌道上，激光雷達測距系統可以測出地球表面上數厘米的位移。小型激光雷達可用作距離的精密測量儀器。激光雷達系統可以從地面、飛機、船艦和空間平臺上對目標進行精密跟蹤。例如，用于兩個宇宙飛船交會、對接、分離、位置保持和監視。此外，激光雷達也可應用于空中交通管制、氣象預報以及土地測繪等方面。激光雷達在目標成像和目標識別方面的應用日益受到重視。激光雷達成像系統可以提供高分辨率的圖像。激光雷達可以作為大氣檢測的工具，它有很多用途，一來可以遙測大氣中的污染和毒劑，二來可以對大氣的風速、溫度、能見度及云層高度等進行測量。激光遙感技術的應用，為大氣檢測提供了很重要的技術支持。

一、激光雷達測量大氣溫度

大氣溫度的測量，通常是以探空氣球來進行量測，范圍大約是從地表到三十公里，或是使用探空火箭與衛星來對更高的高度做溫度測量。近年來利用激光雷達技術也能實時測量大氣溫度的分布。由于是直接量測自空氣返回的雷射散射光，地面的偵測裝置可以立即接收到高空(100km 約需600μs)的散射光訊號。因此雷射可以應用在對大氣的“實時遙測”，其原理就是應用雷射在穿透介質時與介質的各種作用，觀測空氣與雷射作用后發出的訊號，能提供空氣以及空氣中其它組成分子的許多重要信息，例如空氣的壓力、密度、溫度、濕度、風速等等，對于空氣及地球環境監測有重要的應用價值。地球大氣中氮氣與氧氣分子占了絕大多數，其它的氣體和微粒(aerosol)在大氣中只占了小部分，當光的電磁場影響到遠較光的波長為小的氣體分子的時候，介子受光所感生的電偶極輻射稱為Rayleigh 散射。利用Rayleigh 散射量測溫度的最大的缺點就是低空的限制，這個限制主要是因為地面大氣中的微粒。微粒的大小從數個到幾百個微米(μm)不等，相當于激光雷達所使用的雷射光波長，它受光影響所發出的輻射為Mie 散射，波長與Rayleigh 散射相同，但散射截面大1，000 倍，所以微粒的Mie 散射與空氣的Rayleigh散射就混雜在一起而無法區分。

既然利用Rayleigh 散射來測溫度的方法不適用于低空，因此低空溫度的測量必須利用其它的方法，例如Raman 散射。空氣分子將光吸收后激發至新的振動和轉動態，而輻射出該分子特有的振動與轉動光譜，這就是Raman 散射光譜的一種。因此選擇特定的波長范圍作測量就可以了解某種分子的狀態與分布。溫度的不同會影響到分子振動與轉動態的分布機率，所以測量Raman 散射光譜的強度分布變化就能得到大氣的溫度分布。

二、紫外差分吸收激光雷達測量平流層臭氧

在進行激光雷達對大氣水汽空間分布測量時，Schotland提出了差分吸收激光雷達的基本概念。兩束激光(波長極為相近)，由DIAL 激光雷達發射出，這兩束激光中，有一束被待測氣體大量吸收，是波長為λon的激光;另一束并沒被待測氣體吸收或者是吸收的很少，這束激光的波長為λoff。通過對兩束激光回波強度的檢測可以推算待測氣體分子的濃度。

激光雷達方程和UV - DIAL 測量臭氧方法

一束激光發射到大氣中，它的波長為λ 、脈沖能量為E ，假如高度Z 處的臭氧濃度為n(z)，則激光雷達接收到的回波光子數滿足激光雷達方程為:

這里Ki代表的是激光雷達系統效率、h 代表的是Plank常數、c 代表的是光速，αi是波長為λi的臭氧吸收截面，βi(z)代表的是大氣后向散射系數，αi(z)代表的是消光系，二者的兩個組成部分都是氣溶膠還有氣體分子。由方程(1)，那么平流層臭氧分子濃度可以利用UV -DIAL 激光雷達測量得到，z 和z' = z + z 大氣厚度層內的平均臭氧濃度N(z)可以由下式計算:

后向散射B 和消光EA分別為:這里，臭氧吸收截面差Δσ =Δσon-Δσoff，其中αA代表的是氣溶膠的消光系數，αM代表的是分子的消光系數。

計算背景、原始數據平滑及求微分或差分數據處理是主要的數據處理，計算臭氧數密度及進行氣溶膠影響的訂正。波長308 nm 處臭氧吸收截面隨溫度變化，這里按下式進行溫度修正:

其中℃是T 的單位。波長355nm 的臭氧吸收截面為613 ×10-23cm2。通過對氣壓和氣溫的計算，可以計算出后向散射系數，也可以計算大氣氣體分子的消光系數。進行氣溶膠訂正時，利用532nm 波長探測的平流層氣溶膠的散射比，經波長變換后訂正氣溶膠的影響。

三、結語

通過學習激光遙感技術，了解到激光遙感技術在大氣參數測量中的重要性，并體會到激光遙感技術在大氣參數的測量的應用日益廣泛。因此，了解并掌握激光雷達的探測原理和方法對于天氣分析和預報有著十分重要的作用和意義。

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