激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象中的應(yīng)用研究

車昕(山東省臨沂生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山東 臨沂 276000)

1 激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)分類及其技術(shù)特點(diǎn)

1.1 激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)分類狀況

激光雷達(dá)本身是一種遙感探測(cè)設(shè)備，從整體結(jié)構(gòu)來看，其不僅包含激光發(fā)射、回波信號(hào)接收裝置，還涉及信息采集和控制等單元。在實(shí)際探測(cè)中，激光束會(huì)和大氣中的物質(zhì)進(jìn)行相互作用，并由此形成一定的回波信號(hào)，通過對(duì)這些回波信號(hào)的控制分析，可實(shí)現(xiàn)大氣物理要素的精準(zhǔn)探測(cè)。

基于工作物質(zhì)的不同，激光雷達(dá)在形式劃分中具有較大差異。現(xiàn)階段，氣體、半導(dǎo)體、固體是激光雷達(dá)工作中常用到的幾種不同物質(zhì)，這也使得激光雷達(dá)分為氣體激光雷達(dá)、半導(dǎo)體激光雷達(dá)和固體激光雷達(dá)[1]。相對(duì)而言，氣體激光雷達(dá)中CO激光雷達(dá)應(yīng)用較廣，其在大氣環(huán)境檢測(cè)中應(yīng)用廣泛；而半導(dǎo)體激光雷達(dá)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，其能有效地節(jié)省大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的成本；此外，固體激光雷達(dá)主要應(yīng)用在大氣中氣溶膠、霧以及有害氣體成分監(jiān)測(cè)當(dāng)中，整體效益較為突出。

1.2 激光雷達(dá)的技術(shù)特征

激光雷達(dá)結(jié)合了傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)，與普通微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)在探測(cè)中優(yōu)勢(shì)突出。一方面，激光雷達(dá)使用激光束進(jìn)行目標(biāo)物探測(cè)，這使得探測(cè)工作頻率較高，可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率。另一方面，激光雷達(dá)的抗干擾能力較為突出，基于此，其可以快速滿足低空探測(cè)需要，并在工作中表現(xiàn)出單色性好、方向性強(qiáng)的特征。此外，該設(shè)備還具有體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)特征使得激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，現(xiàn)階段，環(huán)境監(jiān)測(cè)、航天、通信、導(dǎo)航和定位等領(lǐng)域均有激光雷達(dá)的應(yīng)用，有效地實(shí)現(xiàn)了遙感探測(cè)的精確化、現(xiàn)代化發(fā)展。

2 激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象中的應(yīng)用

在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象工作中，激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，從目前監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀來看，氣溶膠以及邊界層、溫度、大氣能見度、風(fēng)廓線探測(cè)中均有激光雷達(dá)的應(yīng)用。

2.1 探測(cè)氣溶膠以及邊界層

氣溶膠具有吸收和散射太陽輻射的能力，這對(duì)于全球氣候的變化造成深刻影響。就邊界層而言，其指的是大氣邊界層。在當(dāng)前大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)及氣象工作中，對(duì)于氣溶膠和邊界層進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能實(shí)現(xiàn)全球氣候變化的有效預(yù)測(cè)。就激光雷達(dá)而言，其發(fā)射出的激光束會(huì)和邊界層中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，并由此反射回一定的回波信號(hào)，分析并應(yīng)用這一回波信號(hào)，能實(shí)現(xiàn)空氣污染物的擴(kuò)散、傳輸模式的分析以及環(huán)境空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)模式。近年來，全球氣象問題愈發(fā)突出，這使得激光探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用不但深入，在實(shí)際探測(cè)中，主要探測(cè)對(duì)象包含了大氣中氣溶膠、黃沙、霧霾、沙塵等諸多內(nèi)容，這些內(nèi)容的監(jiān)測(cè)對(duì)于氣象災(zāi)害預(yù)防工作開展具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義[2]。譬如，在我國，有較多的地區(qū)建立了雙波長偏振雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)，并且通過這一網(wǎng)絡(luò)，對(duì)氣溶膠和邊界層進(jìn)行全面探測(cè)，有效地?cái)U(kuò)大了氣溶膠、邊界層測(cè)量高度和垂直跨度，提升了氣象監(jiān)測(cè)效果。

2.2 探測(cè)溫度

作為氣象工作的一個(gè)重要參考指標(biāo)，溫度探測(cè)至關(guān)重要；目前，溫度已經(jīng)成為天氣播報(bào)中必不可少的一個(gè)氣象因素。在溫度探測(cè)中，激光雷達(dá)的應(yīng)用為實(shí)際探測(cè)工作開展提供了有效途徑，并有效地提升了溫度探測(cè)的精度。在溫度探測(cè)中，瑞利散射、拉曼激光雷達(dá)是兩種較為常見的監(jiān)測(cè)形式。就瑞利散射而言，散射激光會(huì)通過全反鏡垂直向上射入大氣，并獲得一定的溫度測(cè)量信息。需注意的是，瑞利散射在低空測(cè)量中適用性不強(qiáng)，這是因?yàn)樵?0km以下，大氣中的氣溶膠較多，容易對(duì)瑞利散射造成干擾。拉曼激光雷達(dá)探測(cè)包含了振動(dòng)性和轉(zhuǎn)動(dòng)性兩種形式，均可以實(shí)現(xiàn)氣象溫度的精準(zhǔn)測(cè)量。

2.3 探測(cè)大氣能見度

在大氣能見度監(jiān)測(cè)中，激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)極為突出。作為一種新型大氣探測(cè)技術(shù)，該技術(shù)與大氣相互作用后獲得能見度信號(hào)，使得大氣能見度測(cè)量的精度更高，為人們的出行提供有效指導(dǎo)。就大氣能見度本身而言，它是反映大氣透明度的一個(gè)重要指標(biāo)，受大氣透過率和衰減系統(tǒng)影響，大氣能見度具有動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)。現(xiàn)階段，采用激光雷達(dá)進(jìn)行大氣能見度監(jiān)測(cè)，其實(shí)際監(jiān)測(cè)受多云、晴天、陰天、雨天的影響較小，這是因?yàn)榧す獍l(fā)射單元采用脈沖式的激光器來發(fā)射監(jiān)測(cè)信號(hào)，在光電倍增管和雪崩二極管的支撐下，探測(cè)并接收信號(hào)，使激光信號(hào)對(duì)于大氣能見度的探測(cè)角度、距離和速度分辨率得以有效提升，依據(jù)這些資料，進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，工作人員能提升預(yù)報(bào)預(yù)警的準(zhǔn)確度。

2.4 探測(cè)風(fēng)廓線

在傳統(tǒng)探測(cè)模式下，對(duì)于風(fēng)的探測(cè)主要是指探測(cè)風(fēng)度大小，然而在風(fēng)向和風(fēng)力值探測(cè)方面效果并不明顯。在激光雷達(dá)技術(shù)體系下，氣象探測(cè)工作能對(duì)風(fēng)度大小、風(fēng)向、風(fēng)力值等要素進(jìn)行全面探測(cè)[3]。在傳統(tǒng)探測(cè)中，一旦空氣中存在湍流，風(fēng)力實(shí)際測(cè)量結(jié)果會(huì)受到較大影響，采用新式探測(cè)技術(shù)，能有效地解決湍流對(duì)風(fēng)力測(cè)量的影響，整體效益較為突出。在實(shí)際探測(cè)中，晴空下的湍流對(duì)于電磁波的折射率具有差異性。受風(fēng)度大小、風(fēng)向、風(fēng)力值等要素的影響，風(fēng)廓線前后不一，其湍流形態(tài)也有差異，當(dāng)激光雷達(dá)發(fā)送的信號(hào)遇到湍流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的散射，此時(shí)，利用激光雷達(dá)多普勒測(cè)速原理，即可實(shí)現(xiàn)不同高度隨風(fēng)移動(dòng)湍流速度和風(fēng)向的有效測(cè)定，最后在對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即可實(shí)現(xiàn)風(fēng)速、風(fēng)向的實(shí)時(shí)測(cè)量。在北方地區(qū)，較大風(fēng)速會(huì)帶來黃沙、霧霾天氣，促使空氣中膠凝質(zhì)增多，而在南方地區(qū)，大風(fēng)會(huì)攜帶較大水汽，帶來陰雨、臺(tái)風(fēng)、海嘯，利用激光雷達(dá)測(cè)定風(fēng)廓線，可實(shí)現(xiàn)這些天氣的有效預(yù)測(cè)，這對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)、大氣污染防治和氣象災(zāi)害預(yù)防具有積極作用。

新時(shí)期，基于激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在氣溶膠、邊界層、溫度、大氣能見度、風(fēng)廓線探測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)，全球范圍內(nèi)大面積建立了地基雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)，基于該觀測(cè)網(wǎng)，也可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)、地震、洪水災(zāi)害等突發(fā)事件的實(shí)施監(jiān)測(cè)和信息傳達(dá)，這為突發(fā)事件預(yù)警及人們生命防護(hù)創(chuàng)造了有利條件。

如今，激光雷達(dá)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、航天、通信、導(dǎo)航和定位等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入，多層次、多方位的應(yīng)用使得激光雷達(dá)在空間范圍、物質(zhì)種類方面的功能不斷優(yōu)化，而且在探測(cè)持續(xù)時(shí)間方面潛力巨大。在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象工作中，基于實(shí)際管理需要，激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)開始朝著精細(xì)化和定量化的方向發(fā)展，這為全球氣候變化研究和氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)提供了系統(tǒng)、長期和穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)資料，有效地滿足了大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的需要。

3 激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象中的應(yīng)用問題及改進(jìn)措施

3.1 激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象中的應(yīng)用問題

作為一種新興的主動(dòng)遙感工具，激光雷達(dá)探測(cè)在探測(cè)跨度、空間分辨率、測(cè)量精度方面優(yōu)勢(shì)突出，這使得其在多個(gè)領(lǐng)域均有深入應(yīng)用。然而從實(shí)際應(yīng)用過程來看，其仍然存在相應(yīng)的缺陷。首先，激光在傳輸中受光速、折射率、散射等因素的影響，實(shí)際精度會(huì)有所降低。其次，當(dāng)遇到濃霧、雨、雪天氣時(shí)，激光雷達(dá)的探測(cè)作業(yè)效果受到影響。此外，受波束等因素的影響，其在搜索范圍、捕獲目標(biāo)方面尚有較大提升空間。

3.2 激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象中的應(yīng)用改進(jìn)

針對(duì)激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象中出現(xiàn)的問題，在今后探測(cè)發(fā)展中，還需從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：一，注重激光光源、發(fā)射與接收光學(xué)、信號(hào)探測(cè)與采集等單元的不斷創(chuàng)新，通過提升發(fā)展雷達(dá)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)探測(cè)范圍擴(kuò)大和精度提升。二，注重多波長多探測(cè)功能的有效開發(fā)，提升激光雷達(dá)獲取目標(biāo)的能力。三，建設(shè)區(qū)域性大面積空間覆蓋的地基激光雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)，這樣能充分滿足氣象、氣候與環(huán)境研究的需要。四，傳統(tǒng)管理模式下，激光雷達(dá)以平臺(tái)、地基和車載為基礎(chǔ)，在新的管理模式下，應(yīng)注重機(jī)載和星載激光雷達(dá)的進(jìn)一步發(fā)展，這樣能使得大氣參數(shù)的探測(cè)范圍從局地單點(diǎn)擴(kuò)大到一個(gè)區(qū)域乃至全球。

4 基于激光雷達(dá)技術(shù)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象監(jiān)測(cè)實(shí)踐

4.1 激光雷達(dá)技術(shù)探測(cè)實(shí)踐背景

2016年5月，我國新疆東部和南疆盆地遠(yuǎn)距離輸送來一股沙塵氣溶膠，雖然這些沙塵最終被秦巴山川所阻擋，然而在途徑區(qū)域，使得多個(gè)城市出現(xiàn)了沙塵、霧霾天氣，影響了多個(gè)城市的大氣環(huán)境和空氣質(zhì)量。某市主城區(qū)受沙塵氣溶膠影響，空氣中吸入顆粒物和細(xì)顆粒物因子明顯增加。為實(shí)現(xiàn)空氣中沙塵氣溶膠濃度的有效監(jiān)控，該市采用激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行了實(shí)際監(jiān)測(cè)。

4.2 激光雷達(dá)技術(shù)探測(cè)過程

本項(xiàng)目實(shí)踐中，主要是對(duì)空氣中的吸入顆粒物和細(xì)顆粒物因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)量設(shè)備采用安徽藍(lán)盾光電子股份有限公司生產(chǎn)的常規(guī)環(huán)境空氣質(zhì)量顆粒物監(jiān)測(cè)儀和氣象觀測(cè)儀。在全市范圍內(nèi)設(shè)置多個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量國控自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。具體探測(cè)中，項(xiàng)目采用了顆粒物激光雷達(dá)測(cè)量手段，顆粒物激光雷達(dá)為AGHJ-I-LDAR(MPL)系列微脈沖激光雷達(dá)，該測(cè)量設(shè)備包含了光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)三個(gè)部分。在實(shí)際測(cè)量中，進(jìn)行以下指標(biāo)控制(見表1)。完成探測(cè)后，采用SPSS22.0軟件對(duì)沙塵氣溶膠污染情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，同時(shí)，在Spearman相關(guān)性分析系統(tǒng)下，對(duì)差異顯著性展開分析，最終實(shí)現(xiàn)空氣中PM2.5濃度、PM10濃度和PM2.5/PM10值與氣象因子相關(guān)性的系統(tǒng)分析。

5 結(jié)語

激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象工作的開展具有重大影響。新經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，人們對(duì)于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象工作提出了較高要求，不斷提升這些工作開展的效率和精度質(zhì)量是此類工作高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在需要。在實(shí)際探測(cè)中，工作人員只有系統(tǒng)掌握激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用原理，深化其在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象工作中的應(yīng)用范圍，并進(jìn)行應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新，才能有效提升激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用水平，保證大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象工作開展的效率與質(zhì)量。