淺談激光雷達技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

摘要：本文將從當前大氣環(huán)境監(jiān)測的概況出發(fā)，闡述激光雷達技術(shù)的價值和作用，對大氣環(huán)境監(jiān)測運用激光雷達技術(shù)的主要途徑進行分析與探究，希望為相關(guān)人員提供一些幫助和建議，更好地開展大氣環(huán)境監(jiān)測工作。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測;大氣環(huán)境;激光雷達

引言：激光雷達技術(shù)屬于一種新興的監(jiān)測技術(shù)，監(jiān)測人員使用激光雷達的設(shè)備能夠?qū)Υ髿饽芤姸取⒚芏纫约皻馊苣z等方面展開全方位、多角度的監(jiān)測，具有可靠性、分辨率高的特點，有效反映出當?shù)卮髿赓|(zhì)量狀況，為環(huán)境質(zhì)量改善提供參考和借鑒。從這個角度來看，應(yīng)積極研究大氣環(huán)境監(jiān)測運用激光雷達技術(shù)的途徑。

一、當前大氣環(huán)境監(jiān)測的概況

隨著國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展速度的加快和人民群眾綜合生活水平的提升，人們有了更高的環(huán)境要求。然而，大量的人類活動不可避免地產(chǎn)生了各類城市環(huán)境污染現(xiàn)象，降低了大氣能見度，危害著人民群眾的身體健康，并在一定程度上增加了社會的不安定因素，帶來了較大的負面影響。空氣環(huán)境檢測是環(huán)境監(jiān)測工作不可缺少的一部分，借助全面的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)監(jiān)測，工作人員能夠?qū)諝猸h(huán)境的情況有一個準確的把握，將全面的數(shù)據(jù)支持提供給環(huán)境質(zhì)量的改善工作。當前的大氣環(huán)境監(jiān)測工作通常借助自動監(jiān)測儀器來分析大氣的氣態(tài)污染物、顆粒物含量，而立體性的大氣監(jiān)測相對較少。

二、大氣環(huán)境監(jiān)測運用激光雷達技術(shù)的主要途徑

（一）監(jiān)測動力學參數(shù)

根據(jù)激光雷達技術(shù)，大氣環(huán)境的動力學參數(shù)主要有湍流、重力波、風、溫度等。在地面高度100千米的高度，大氣的金屬蒸汽較為豐富，將金屬原子當成反饋物質(zhì)來研究大氣動力學能夠大大提升大氣環(huán)境監(jiān)測工作的效率。監(jiān)測高層大氣的重力波、風、溫度時，監(jiān)測人員應(yīng)積極運用熒光共振激光雷達設(shè)備，借助該設(shè)備對金屬原子進行探測，比如Na熒光共振雷達、Li熒光共振雷達等。探測大氣溫度時，監(jiān)測人員應(yīng)運用激光雷達技術(shù)中的瑞利散射技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)Υ髿馊鹄⑸溥M行監(jiān)測，通過氣體狀態(tài)方程對大氣環(huán)境溫度進行反演，通常可監(jiān)測高度為30千米至80千米。借助部分氣體分子的拉曼散射函數(shù)，測量并得出其拉曼散射強度，同時獲取大氣環(huán)境具體溫度。

受觀察者運動、波源運動所影響，大氣環(huán)境監(jiān)測工作容易遇到波源頻率、觀測頻率不一致的問題，該現(xiàn)象又叫作多普勒效應(yīng)，基于此效應(yīng)原理的激光雷達叫作多普勒激光雷達設(shè)備。由于多普勒的移動方向、頻移大小會受到激光束方向、大氣分子運動方向二者的夾角所影響，因此監(jiān)測人員能夠借助散射光的監(jiān)測工作獲得多普勒移動量，進而計算出大氣風速。除此之外，監(jiān)測人員在監(jiān)測風速時能夠分析風速分量、計算能譜密度。

（二）監(jiān)測大氣組分

大氣分子和激光間的彼此作用會產(chǎn)生Raman散射（以下簡稱R散射），R散射最主要的特征便是入射光、散射光二者波長不一致，形成短波方向、長波方向一定程度的移動，并且散射分子類型、波長移動距離間存在直接關(guān)系。R散射的波長移動能夠?qū)?yīng)散射分子能量差，且這種分子差是固有的分子特點。由此不難得出，通過散射波長移動的距離便能將散射分子類型確定下來，從而使用R散射來監(jiān)測大氣組分。

R散射激光雷達設(shè)備能夠?qū)Ω邼舛却髿饨M分進行探測，但低濃度大氣組分也是大氣環(huán)境監(jiān)測工作的重要監(jiān)測內(nèi)容。根據(jù)大氣、激光的作用機制，其吸收的截面作用范圍相對較大。由于吸收屬于共振的反映過程，能夠?qū)Υ髿饨M分加以分辨，因此監(jiān)測人員能夠借助吸收機制開展大氣環(huán)境監(jiān)測工作，對應(yīng)的設(shè)備為吸收激光雷達設(shè)備。借助該設(shè)備，監(jiān)測人員能夠?qū)Υ髿饫锏亩趸颉⒌趸铩⒊粞酢⑺鹊蜐舛却髿饨M分進行監(jiān)測，從而達到監(jiān)測微量組分的目的。此種雷達能夠?qū)﹄p波長激光進行發(fā)射，激光的兩個波長極為接近，二者分別處在分子強吸收線、弱吸收線上。正因二者接近，監(jiān)測人員能夠認定氣溶膠會對二者產(chǎn)生同樣的消光與散射，這樣一來，只需獲得大氣分子吸收參數(shù)便能根據(jù)其后向散射信號回波對大氣分子濃度進行探測。伴隨該技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸演變出R散射吸收技術(shù)與紅外波段差分技術(shù)等多個分支。

（三）監(jiān)測氣溶膠

氣溶膠指的是大氣中分布的、由固體微粒或液體組成的、穩(wěn)定性較高的懸浮體系。一般來說，大氣中的氣溶膠含量較低，但其對環(huán)境的影響卻極大。氣溶膠粒子在大氣中能夠?qū)μ栞椛溥M行散射與吸收，使地氣系統(tǒng)內(nèi)在的輻射穩(wěn)定性受到干擾，出現(xiàn)直接氣候效應(yīng)，具體影響程度由氣溶膠粒子形狀、分布、化學成分等方面決定。

運用激光雷達技術(shù)開展氣溶膠監(jiān)測工作的過程中，需要采用Mie散射激光雷達設(shè)備。根據(jù)Mie散射的原理，離子散射尺寸接近于入射激光的實際波長，有時可能會大于入射激光的實際波長，入射光、散射光二者的波長基本一致。比起其它種類的光散射，Mie散射具有更大的散射截面，這使得其激光雷達設(shè)備能夠產(chǎn)生更強的回波信號，在激光脈沖向大氣方向射入后，大氣里的云粒子、氣溶膠粒子會將發(fā)射路徑消光、散射，而后向散射光的高度和當前高度氣溶膠粒子基本特性存在直接關(guān)系，后向散射光能夠被激光雷達準確探測，監(jiān)測人員借助Mie散射公式算法變能對氣溶膠粒子消光參數(shù)進行反演。西方發(fā)達國家的激光雷達技術(shù)運用相對較早，其Mie散射激光雷達監(jiān)測氣溶膠的各方面研究也更為深入，部分學者曾對比大渦模擬、Mie散射監(jiān)測，部分學者則將Mie散射監(jiān)測獲取的大氣參數(shù)當成傳輸輻射模式，構(gòu)建了全面的大氣環(huán)境監(jiān)測模型，得出氣溶膠含量過多會使大氣產(chǎn)生其后強迫效應(yīng)，容易加劇全球氣候變化。

結(jié)語：總而言之，研究大氣環(huán)境監(jiān)測運用激光雷達技術(shù)的主要途徑具有重要的意義。相關(guān)人員應(yīng)對當前大氣環(huán)境監(jiān)測的概況有一個全面了解，充分把握激光雷達技術(shù)的價值和作用，能夠?qū)⒓す饫走_技術(shù)運用于監(jiān)測動力學參數(shù)、大氣組分以及氣溶膠等大氣環(huán)境監(jiān)測工作中，從而提高大氣環(huán)境監(jiān)測工作的質(zhì)量和效率。

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作者簡介：孫亢;1990年 9月;男;漢族;陜西省安康市白河縣;本科;助理工程師;環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境工程。