大氣探測(cè)激光雷達(dá)技術(shù)綜述

王宣峰 陳閩

摘 要：對(duì)于大氣探測(cè)激光雷達(dá)這一技術(shù)來(lái)說(shuō)，其自身具有高時(shí)空分辨率這一優(yōu)勢(shì)，且探測(cè)精度也非常高，廓線數(shù)據(jù)具有一定的連續(xù)性，這些優(yōu)勢(shì)使其成為大氣探測(cè)工作中的重要工具，并且其在大氣探測(cè)工作中能夠發(fā)揮出重要作用。對(duì)激光雷達(dá)而言，其可以根據(jù)探測(cè)技術(shù)分為米散射、偏振、拉曼、差分吸收等多種類型的激光雷達(dá)，在大氣探測(cè)中，激光雷達(dá)能夠?qū)馊苣z、云、水汽以及溫度等多個(gè)方面的信息予以準(zhǔn)確探測(cè)，進(jìn)而為有關(guān)工作提供可靠的數(shù)據(jù)信息。

關(guān)鍵詞：大氣探測(cè);激光雷達(dá)技術(shù);綜述

引言：所謂的激光雷達(dá)，就是指集“光、機(jī)、電、理”為一體的一種主動(dòng)光學(xué)廓線遙感工作，其自身是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)二者相互結(jié)合的產(chǎn)物。激光光源本身就具有良好的單色性以及方向性，其自身的相干性以及亮度也都比較高，由于激光光源具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，所以被廣泛應(yīng)用到多個(gè)研究領(lǐng)域之中。而從激光問(wèn)世之后，就有科學(xué)家提出大氣探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)想，并且在不斷的研究中，促使大氣探測(cè)激光雷達(dá)技術(shù)逐漸完善，且被應(yīng)用于相關(guān)科學(xué)研究領(lǐng)域中，發(fā)揮出重要作用。

一、大氣探測(cè)激光雷達(dá)技術(shù)的概述

對(duì)于激光雷達(dá)系統(tǒng)而言，其自身包括激光發(fā)射單元、望遠(yuǎn)鏡接收單元以及相應(yīng)的控制單元。通過(guò)激光器發(fā)出脈沖，并射入到大氣之中，借此與大氣中存在的空氣分子、氣溶膠以及云等多種物質(zhì)之間進(jìn)行相互作用，當(dāng)其后向散射光被望遠(yuǎn)鏡接受之后，并且經(jīng)過(guò)科學(xué)的探測(cè)與全面的采集，再進(jìn)行算法反演就能夠獲得大氣的有關(guān)廓線信息。激光在與大氣相互作用的過(guò)程中，會(huì)因?yàn)椴煌髿獬煞值牟煌饔脵C(jī)制，產(chǎn)生出不同類型的激光散射，比如，激光與大氣風(fēng)的相互作用會(huì)出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生出多普勒散射。也因此，大氣探測(cè)激光雷達(dá)在技術(shù)層面上，可以分為米散射、偏振、拉曼以及多普勒等多種類型的激光雷達(dá)。另外，從運(yùn)載平臺(tái)這一層面進(jìn)行分析，也可以將其分為地基、車(chē)載、空載以及星載式等多種類型的激光雷達(dá)。激光雷達(dá)本身所具有的高時(shí)空分辨力及高信噪比這些優(yōu)勢(shì)，能夠在脈沖激光技術(shù)的發(fā)展與光電探測(cè)器性能提升的過(guò)程中發(fā)揮出重要作用。而脈沖激光器本身的重復(fù)頻率、脈寬、以及采集卡的采樣頻率對(duì)激光雷達(dá)的高時(shí)空分辨的提升有著決定性作用[1]。

二、大氣探測(cè)激光雷達(dá)技術(shù)的分類

（一）米散射激光雷達(dá)的概述

對(duì)于這一類型的技術(shù)而言，其在大氣探測(cè)激光雷達(dá)中出現(xiàn)的最早，其自身主要在米散射與瑞利散射的理論基礎(chǔ)上形成的。不過(guò)，在近距離中，尤其是邊界層的范圍內(nèi)，米散射在大氣散射中占據(jù)著主導(dǎo)地位，其中瑞利散射就比較弱，完全可以忽略。米散射激光雷達(dá)通常被應(yīng)用于探測(cè)大氣中的氣溶膠粒子與云，反演之后則可以獲得其后向散射系數(shù)。另外，米散射機(jī)關(guān)雷達(dá)自身的回波信號(hào)無(wú)法將大氣的數(shù)據(jù)信息直接反映出來(lái)，還需要相關(guān)技術(shù)人員借助相應(yīng)的系統(tǒng)進(jìn)行反演計(jì)算，才能夠得出相關(guān)目標(biāo)信息的物理參數(shù)。而求解米散射激光雷達(dá)的方程通常都會(huì)適應(yīng)Klett法以及Fernald法。Klett這一方法在大氣氣溶膠濃度較高的區(qū)域極為適用，在使用這一方法求解方程時(shí)，則可以忽略大氣分子的后向散射系統(tǒng)與消光系數(shù)。其中Fernald法則站在Klett法的基礎(chǔ)上，對(duì)大氣分子與氣溶膠的貢獻(xiàn)進(jìn)行分開(kāi)考慮，也就是說(shuō)，要對(duì)大氣分子的瑞利散射與氣溶膠粒子的米散射予以分別考慮，通過(guò)反演得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息[2]。

（二）偏振激光雷達(dá)的概述

當(dāng)線偏振光與大氣中存在的沙塵或者是冰晶等非球形粒子相互作用時(shí)，其后向散射光不僅具有原來(lái)線偏振光所具備的平行分量，而且還有與其正交所產(chǎn)生的垂直偏振分量。可以說(shuō)，偏振激光雷達(dá)就是通過(guò)對(duì)非球形粒子后向散射光的退偏振比的有效探測(cè)，對(duì)其自身的形態(tài)進(jìn)行科學(xué)且深入的研究，通過(guò)不斷的實(shí)踐應(yīng)用，可以得出，偏振激光雷達(dá)就是研究卷云與沙塵氣溶膠等多種非球形粒子的重要技術(shù)手段。另外，在米雷達(dá)的基礎(chǔ)上，相關(guān)科學(xué)研究人員在偏振激光雷達(dá)的接收系統(tǒng)中加入了檢偏棱鏡，在具體應(yīng)用中，激光器發(fā)出的線偏振光，會(huì)經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡、光光闌之后，由凸透鏡對(duì)其予以準(zhǔn)直，而其中的濾光片則能夠?qū)Ρ尘霸胍暨M(jìn)行有效的過(guò)濾，當(dāng)線偏振光經(jīng)過(guò)檢偏棱鏡之后，其光信號(hào)就會(huì)分成兩個(gè)通道，一個(gè)通道的方向與發(fā)射激光的偏振方向相平行，另一個(gè)通道的方向則是與偏振方向相垂直，在此之后，兩個(gè)通道的光信號(hào)分別經(jīng)過(guò)探測(cè)與采集，最終進(jìn)入到相應(yīng)的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)之中[3]。

（三）拉曼激光雷達(dá)的概述

當(dāng)激光照射到大氣時(shí)，相關(guān)后向散射光除了具有彈性散射光信號(hào)之外，大氣中存在的氮?dú)狻⒀鯕庖约八榷喾N大氣分子也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，最終出現(xiàn)拉曼散射。拉曼散射自身產(chǎn)生的具體原理如下，激光與大氣中的相關(guān)分子會(huì)相互作用，在這一過(guò)程中，分子中的電子會(huì)對(duì)光子進(jìn)行吸收，并因此達(dá)到高能級(jí)，而因?yàn)榉肿颖旧硪矔?huì)出現(xiàn)振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，所以電子躍遷不會(huì)再回到原來(lái)的能級(jí)，在這種情況下，產(chǎn)生出來(lái)的散射光頻率與入射激光的頻率則會(huì)出現(xiàn)不對(duì)等的情況，并且頻移量也與分子種類有著密切的關(guān)系，這樣，拉曼激光雷達(dá)就能夠?qū)Υ髿鉁囟取⑺芏取馊苣z以及污染物的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)測(cè)量。對(duì)于不同氣體分子來(lái)說(shuō)，其拉曼頻移也存在差異，且不受入射光的影響，只與散射體的能級(jí)結(jié)構(gòu)相關(guān)，當(dāng)發(fā)射的波長(zhǎng)在355nm時(shí)，氮?dú)狻⒀鯕庖约岸趸嫉睦ㄩL(zhǎng)與拉曼頻移量之間就會(huì)呈現(xiàn)出正比例關(guān)系，含量越多，相關(guān)物質(zhì)的拉曼回波信號(hào)就變得越強(qiáng)。相關(guān)研究人員可以借助這一特點(diǎn)，將大氣中含量相對(duì)穩(wěn)定的氮?dú)獾暮笙蚧夭ㄐ盘?hào)作為參考值，就能夠探測(cè)中相關(guān)氣體成分的濃度。

（四）多普勒激光雷達(dá)

對(duì)于多普勒激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，其自身主要是利用光的多普勒效應(yīng)進(jìn)行工作的，也就是，通過(guò)對(duì)激光脈沖大氣后向散射回波信號(hào)的多普勒頻移這一數(shù)據(jù)信息，對(duì)空間內(nèi)不同高度的風(fēng)速以及風(fēng)向分布進(jìn)行有效反演。若是有風(fēng)，大氣氣溶膠粒子與空氣分子則會(huì)出現(xiàn)相對(duì)于激光傳輸方向的運(yùn)動(dòng)情況，而且其相對(duì)的運(yùn)動(dòng)速度與方向、散射角也會(huì)不同，與此同時(shí)，回波信號(hào)與發(fā)射激光頻率相比，其多普勒頻移也會(huì)出現(xiàn)不同。

總結(jié)

通過(guò)上述分析，科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，也促使激光雷達(dá)技術(shù)得以進(jìn)步，而且這一技術(shù)的應(yīng)用，也開(kāi)始由夜晚探測(cè)逐漸向晝夜連續(xù)觀測(cè)發(fā)展，從人工干預(yù)漸漸發(fā)展成為無(wú)人值守的自動(dòng)化探測(cè)，在其不斷發(fā)展的過(guò)程中，技術(shù)應(yīng)用變得更加成熟，操作也變得更加簡(jiǎn)單方便，更是提高其應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]田曉敏， 劉東， 徐繼偉，等. 大氣探測(cè)激光雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)和星載激光雷達(dá)技術(shù)綜述[J]. 大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)， 2018， 013（006）：401-416.

[2]張振振，劉統(tǒng)玉，南鋼洋，趙揚(yáng)，王啟武，巨陽(yáng). 激光雷達(dá)在大氣探測(cè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 山東科學(xué)，2015，28（06）：73-80+149.

[3]肖鈴，劉東，王英儉，王珍珠，謝晨波. 大氣探測(cè)激光雷達(dá)自動(dòng)準(zhǔn)直方法綜述[J]. 大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2016，11（03）：161-171.

（1中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所? 河南? 洛陽(yáng)? 471000;2空軍裝備部駐洛陽(yáng)地區(qū)第二軍事代表室? 河南? 洛陽(yáng)? 471000）