激光雷達在大氣探測中的應(yīng)用探討

鄒俊斌 周志鵬 穆冠君 高宇彤 王志成

摘 要：激光雷達具備能量密度高、波束定向性強以及探測波長短等優(yōu)勢，在大氣探測過程中可以發(fā)揮出較強的探測靈敏度、較高的空間分辨率高等優(yōu)勢。本文就激光雷達在大氣探測中的應(yīng)用進行深入地探討。

關(guān)鍵詞：激光雷達；大氣探測；應(yīng)用

一、引言

激光雷達是一類主動式的現(xiàn)代化光學(xué)遙感技術(shù)，是現(xiàn)代化激光技術(shù)和傳統(tǒng)雷達技術(shù)充分融合的產(chǎn)物。激光具備高相干性、高亮度性、高單色性以及高方向性等大量特征，所以激光雷達便具備著下述獨有的優(yōu)勢：較強的抗干擾能力、較高的速度分辨率以及較廣的測速范疇等等。并且激光雷達的重量與體積與微波雷達相比而言均比較小，便于運用。

二、激光雷達概述

激光雷達所指的是一種以發(fā)射激光束檢測具體目標(biāo)所處的位置以及速度等特征值的雷達體系。由其工作機理層面而言，和微波雷達沒有本質(zhì)性的差異：向目標(biāo)傳遞出探測信號，接著將所收到的由目標(biāo)所反饋的信號和發(fā)射信號實施對比，進行相應(yīng)的處理以后，便能夠取得目標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，比如：目標(biāo)高度、距離、速度、方位以及姿態(tài)等有關(guān)數(shù)據(jù)，進而針對導(dǎo)彈、飛機等目標(biāo)實施探測、辨別以及追蹤等。

三、大氣激光雷達探測機理分析

大氣探測激光雷達的發(fā)射源大多是脈沖激光器，在具體運用環(huán)節(jié)垂直向大氣當(dāng)中發(fā)射出一束激光束。此激光束具備著較窄的脈沖寬度、較強的指向性以及高能量等特征。接著經(jīng)過望遠鏡采集大氣里面激光束和物質(zhì)所形成的后向散射信號，需要去除其中所包含的雜散光信號，針對散射光實施相應(yīng)的光譜分析，再通過信號的光電轉(zhuǎn)變以后以取得最初的電信號。電信號往往是由數(shù)據(jù)采集卡又或是計算機實施相關(guān)數(shù)據(jù)的收集，針對信號進行分析以及數(shù)據(jù)反推便能夠獲得所需要的大氣信息又或是數(shù)據(jù)。

四、激光雷達在大氣探測中的應(yīng)用

（1）大氣氣體成分檢測

激光雷達能夠高效地檢測低層大氣的污染狀況，為空氣當(dāng)中的二氧化碳、臭氧以及二氧化氮等相關(guān)氣體的光遙測提供了非常有效的測量方式。氣體濃度、組分等數(shù)據(jù)的取得有利于針對大氣里面的污染物進行深入地分析，以判定是否遭受了破壞與污染。

運用差分吸收激光雷達能夠檢測到大氣當(dāng)中二氧化碳的具體濃度。同時采取拉曼激光雷達針對低對流層中的二氧化碳進行分析，可以大致呈現(xiàn)出低對流層中二氧化碳的布局輪廓線，此便代表激光雷達具備極強的探測精準(zhǔn)性與靈敏性。

（2）氣溶膠、塵、煙探測

運用后向散射激光雷達能夠針對氣溶膠的立體濃度布局進行探測，經(jīng)過針對不一樣位置、不一樣仰角的氣溶膠實施檢測，能夠獲得氣溶膠消光指數(shù)的三維立體布局。除此之外，運用大氣里面分子的拉曼與瑞利散射回波，經(jīng)過分析信號不一樣幅度的衰退，能夠達到對于低空氣溶膠的檢測。還能夠針對大氣回波信號實施拼湊與反推，以取得大氣的氣溶膠光學(xué)特征，同時檢驗其探測信號的真實性。經(jīng)過顆粒物監(jiān)測裝置、偏振-米散射激光雷達所取得的檢測信息，融合風(fēng)廓線等數(shù)據(jù)材料，運用氣團后向軌跡可以識別出城市浮塵天氣里面沙塵氣溶膠的具體來源以及傳遞途徑，驗證了激光雷達探測方式的可靠性。除此之外，運用紅寶石激光雷達還可以監(jiān)測到空氣當(dāng)中煙羽的提升高度，同時在相應(yīng)的大氣平穩(wěn)程度、煙氣排放數(shù)據(jù)以及地形環(huán)境下，還能夠獲得幾類不同煙氣提升高度的相似公式。

（3）能見度探測

能見度的高低不但體現(xiàn)出了某個區(qū)域的大氣環(huán)境品質(zhì)，同時和人們的日常生活有著極為密切的聯(lián)系，尤其是對于陸、海、空交通的影響更加顯著。能見度相對較低的環(huán)境會給人們的生活帶來非常多的不便以及各式各樣的危害，往往是導(dǎo)致交通與飛機起降等事故的關(guān)鍵原因之一。所以，分析與把握大氣能見度的改變特點以及其重點影響要素，是達到大氣能見度精準(zhǔn)預(yù)報的重要基礎(chǔ)，并且還能夠即時的反饋出該區(qū)域的大氣環(huán)境品質(zhì)的改變。和其它探測手段對比而言，激光雷達是一種全新的大氣探測工具，能夠經(jīng)過針對激光和大氣互相作用的光輻射信號進行檢測以確定大氣具體的能見度數(shù)值，更為精準(zhǔn)地呈現(xiàn)出大氣對于傳遞其中的激光的衰退作用，進而發(fā)展成目前大氣能見度探測的關(guān)鍵渠道。能見度主要有斜程能見度與水平能見度之分。其間，水平能見度在水平大氣相對均衡環(huán)境下和消光指數(shù)的倒數(shù)成正相關(guān)性，運用此機理便能夠經(jīng)過激光雷達以明確相應(yīng)的水平能見度。

（4）風(fēng)探測

風(fēng)速是氣候?qū)W領(lǐng)域最為關(guān)鍵的參數(shù)之一，大氣風(fēng)速的監(jiān)測對于全球氣候不斷變化的深入分析，增強數(shù)值天氣預(yù)測的精準(zhǔn)程度，探測機場氣流、改善輪船、飛機行駛路線有著非常重要的意義，部分區(qū)域風(fēng)場特點在航天飛機的起降、火箭發(fā)射以及軍事等相關(guān)層面均具備極為重要的價值。運用激光多普勒雷達針對風(fēng)場進行探測有著其它手段所無法相比的優(yōu)勢。多普勒測風(fēng)激光雷達的檢測形式主要有以下兩種：非相干（直接）探測與相干（外差）探測模式。在1966年第一次運用相干激光雷達測風(fēng)之后，通過50多年的不斷發(fā)展，地基相干系統(tǒng)已較為完善，然而因為其對于發(fā)射激光的相干性有著過高的需求，對于接受、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)品質(zhì)有著苛刻的要求，技術(shù)難以達到，極易受到空氣湍流等因素所造成的影響，往往僅可運用至邊緣層小風(fēng)速的探測。在最近20年時間內(nèi)，非相干檢測技術(shù)備受人們的關(guān)注。

（5）大氣濕度、溫度探測

經(jīng)過針對激光雷達回波信號的科學(xué)有效提取以及完全細致的分光，運用多數(shù)據(jù)同步反推計算方法，能夠獲得第一時間內(nèi)的大氣相對濕度的垂直性改變。經(jīng)過激光雷達還能夠達到對于高空溫度的監(jiān)測，同時融合數(shù)據(jù)的反推計算方法，針對效仿數(shù)據(jù)實施對應(yīng)的計算分析，以取得加強平流層大氣溫度反推精準(zhǔn)程度的計算方法。并且，運用轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達能夠達到對于大氣邊緣層溫度實施全過程高精準(zhǔn)程度的監(jiān)測，以取得大氣溫度的布局曲線，同時在散射比小于2.5的時候，探測的精準(zhǔn)程度能夠達到1 K。除此之外，瑞利-拉曼激光雷達經(jīng)過消除背景噪音與加強小波算法的信噪比，能夠在較大程度上增強大氣溫度廓線檢測的精準(zhǔn)性，和大氣模式參數(shù)相比較，反映出了極強的一致性。所以，瑞利-拉曼激光雷達探測所獲得的溫度參數(shù)能夠運用至氣象學(xué)分析環(huán)節(jié)。

總而言之，伴隨全球各個國家激光雷達材料長時間的累積，其必然會在天氣預(yù)報方式和氣候模式的材料同化系統(tǒng)當(dāng)中起到著更為重要的作用，進而為氣候與氣候變化的分析作出更大的貢獻。

參考文獻

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