激光雷達在大氣環境監測和氣象研究中的應用

張青松

摘? 要：隨著科學技術的突飛猛進，我國在大氣環境和氣象監測中也開始摒棄傳統的監測技術，融入新興的激光雷達監測技術，激光雷達作為一種光學遙感設備，保留了傳統技術的優勢，融合了新技術的理念，在大氣環境監測和氣象研究中具有重要作用。基于此，該文首先從激光雷達的結構及其分類入手，旨在對激光雷達在大氣環境監測和氣象研究中的應用進行分析。

關鍵詞：激光雷達? 大氣環境監測? 氣象研究? 應用

將激光雷達應用于大氣環境監測與氣象研究具有重要意義，與傳統微波雷達相比，激光雷達具有抗干擾能力強、單色性好、方向性強等優勢，非常適用于對大氣、海洋等地區的高精度遙感探測。目前，我國激光雷達技術在大氣環境監測和氣象研究中的應用效果顯著。

1? 激光雷達的結構及其分類

從整體上看，激光雷達系統主要由激光發射、回波信號接收和采集以及控制幾部分組成，激光探測是指通過激光束與大氣中的物質進行相互作用，從而形成的回波信號。激光雷達的工作原理是激光雷達通過發射激光束，使之與大氣層中的物質產生相互作用，并將相互作用的后向散射信號中所傳遞的信息加以分析處理，便可得到所需的大氣物理要素。

根據工作物質的不同，可以將激光雷達進行不同的分類，大體上可以劃分為以下幾種：氣體、半導體、固體激光雷達，其中CO激光雷達是較為常見的氣體激光雷達，其主要工作在大氣紅外波段，對大氣環境的監測具有重要意義。半導體激光雷達具有價格低的優勢，極大地節省了大氣環境監測的成本。而對于大氣中氣溶膠、霧以及大氣中有害的氣體成分的監測主要是固體激光雷達。

根據探測機制的不同，又將激光雷達分為不同的類型，常見的是瑞利—拉曼—米散射激光雷達系統，該發射系統采用532nm波長的激光，通過全反鏡垂直向上射入大氣，激光雷達回波信號中包含有532nm高層的瑞利散射與522nm低層的米散射信號，以及607nm的拉曼散射信號。具體結構如圖1所示。

總之，隨著科學技術的突飛猛進，我國在大氣環境監測與氣象研究的設備進行了更替，在繼承和發揚傳統微波雷達技術的基礎上，融合新技術理念，設計出激光雷達，并將其應用于大氣環境監測與氣象研究中，取得了一定成效。

2? 激光雷達在大氣環境監測和氣象研究中的應用和發展

2.1 對氣溶膠以及邊界層的探測

氣溶膠對地球的影響主要體現在其吸收和散射太陽輻射，氣溶膠對全球氣候帶來了嚴重的影響。邊界層指的是大氣邊界層，如何方便、有效、準確地監測邊界層的變化，還需借助激光雷達技術，通過激光束使之與邊界層中的物質產生相互影響，進而形成一種回波信號，對空氣污染物的擴散、傳輸模式以及污染物預報模式等都具有十分重要的意義。

氣溶膠在全球氣候的影響因素中扮演著極為重要的角色，但隨著近幾年全球氣象問題的愈加突出，各國開始利用激光雷達技術，紛紛探測大氣中氣溶膠狀態，對黃沙、霧霾、沙塵等方面均進行了較為成功的探索，借助激光雷達技術可以較為便捷地收到反射信號，以實現對氣溶膠和邊界層的實時監測。在中國，很多地區開展了專門的氣溶膠和邊界層監測的長效機制，建立了雙波長篇振雷達觀測網。激光雷達對氣溶膠、邊界層的測量無論是在高度上，還是垂直跨度上都具有全面的優勢，是傳統微波雷達技術無法比擬的。

2.2 對溫度的探測

溫度作為氣象中最重要的一個參考量，是天氣播報中不可缺少的氣象因素。對大氣溫度的監測同樣也需要借助激光雷達來實現，研究顯示，目前利用激光雷達進行溫度探測的多數是利用瑞利散射，該散射通過全反鏡垂直向上射入大氣，當然瑞利散射激光雷達不適用于低空測量，因為在30km以下的高度會有大量的氣溶膠存在，很大程度上干擾了瑞利散射的測量。除瑞利散射激光雷達外，拉曼激光雷達也可以用于溫度的探測，拉曼激光雷達的類型有兩種：一種是振動性拉曼激光雷達，另一種是轉動型拉曼激光雷達，以上兩種拉曼激光雷達都可用于對氣象溫度的監測。

2.3 對大氣能見度的監測

目前常見的能見度探測系統主要是激光雷達，與其他探測技術相比，激光雷達具有不可比擬的優勢，激光雷達作為一種新型的大氣探測技術，可以通過激光束與大氣的相互作用產生的光輻射信號來確定大氣能見度，從而更加精確地判定大氣的能見度。目前，激光雷達探測技術開始逐步廣泛應用于大氣能見度監測過程中，以為人們的出行提供便利。

2.4 對風的探測

傳統意義上對風的探測主要指風度的大小，不能更加精細化的判定風力值和風向。風力作為氣象研究的組成部分，隨著激光雷達的問世，風力探測也隨之迎來了新技術，風力的大小同樣對人們的出行安全帶來了極大的影響，飛機、輪船等交通工具受風的影響較大，因此，加強對機場氣流、輪船航行路線等地的風力監測至關重要，在傳統的風力監測中，深受技術限制，在監測過程中極易受空氣湍流的影響，從而影響風力監測，隨著新時期新的激光雷達技術的問世，很大程度上克服了技術不足的問題，能夠精確地測出風力、風向，對人們出行帶來了極大的便利。

綜上，為了滿足大氣環境監測和氣象研究，國際激光雷達研究領域近幾年來針對大氣環境和氣象狀況，做出了較多分析研究，并在全球范圍內大面積建立地基雷達觀測網，主要用于對全球大氣環境及氣象狀況進行評估，對突發事件（如臺風、地震、洪水災害等）進行及時監控，及時傳達信息，將突發事件預警以最快的傳播速度傳遞給人們，幫助人們抓住生命黃金時期，能夠在緊張有效的范圍內開啟生命防護模式。

3? 結語

隨著科學技術的不斷發展，激光雷達也在不斷發展完善的過程中，不斷朝著精細化、準確化的方向發展，筆者認為，在大氣環境監測與氣象研究的領域中，激光雷達的作用不容小覷，并且這一技術一定會得到廣泛應用，得到大范圍推廣，對推動全球大氣環境監測系統的平穩運行具有重要意義。

參考文獻

[1] 陳楠，徐寶東，張瑜，等.激光雷達在湖北大氣環境監測中的應用[J].中國環境監測，2019，35（2）：142-149.

[2] 劉海燕，喬生仲.激光雷達技術在大氣環境監測中的應用[J].青海環境，2018，28（4）：200-202.

[3] 黃思源.激光雷達在大氣環境監測中的應用[C]//中國環境科學學會.2016中國環境科學學會學術年會論文集（第二卷）中國環境科學學會：中國環境科學學會，2016：9.