激光雷達技術(shù)為什么能用于大氣環(huán)境監測?

自激光雷達測繪技術(shù)20世紀60年代問(wèn)世后迅猛發(fā)展，激光雷達具有波長(cháng)短、方向性強、單色性好、抗干擾性高和體積小等特點(diǎn)，能夠在應用中呈現出了較高的探測靈敏度、空間分辨率和抗干擾能力。

目前被廣泛應用，涉及行業(yè)甚廣，如水利工程、農業(yè)開(kāi)發(fā)、土地利用、環(huán)境監測、城市規劃、交通通訊、方陣減災、資源勘測和軍事工程等等領(lǐng)域。今日我們主要說(shuō)說(shuō)激光雷達技術(shù)在大氣環(huán)境監測方面發(fā)揮的重要作用。 

激光雷達是什么？

激光雷達是傳統的雷達技術(shù)與現代激光技術(shù)相結合的產(chǎn)物，其工作在紅外和可見(jiàn)光波段。激光雷達的作用是能精確測量目標位置( 距離和角度) 、運動(dòng)狀態(tài)( 速度、振動(dòng)和姿態(tài)) 和形狀，探測、識別、分辨和跟蹤目標。

激光雷達技術(shù)為什么能用于大氣環(huán)境監測呢？

這是由于激光雷達技術(shù)可以測量氣溶膠、云、能見(jiàn)度、大氣成分、空中風(fēng)場(chǎng)、大氣密度、大氣溫度和濕度的變化，對城市上空環(huán)境污染物的擴散和沙塵暴發(fā)生的過(guò)程等進(jìn)行有效的監測。

檢測的實(shí)時(shí)數據為研究氣候變化、天氣預報和自然災害預報，建立正確的大氣模型提供了有力依據。

激光雷達技術(shù)在大氣環(huán)境監測中的應用

一、氣溶膠及顆粒物的探測

氣溶膠通過(guò)吸收和散射太陽(yáng)輻射以及地球的長(cháng)波輻射影響著(zhù)地球—大氣系統的輻射收支，它作為凝結核參與云的形成，從而對局地、區域乃至全球的氣候有重要的影響。盡管其在大氣中的含量很低，但氣溶膠和云對氣候變化的影響還是很大的。

氣溶膠是由固體或液體小質(zhì)點(diǎn)分散并懸浮在氣體介質(zhì)中形成的膠體分散體系。對大氣氣002溶膠進(jìn)行探測使用的技術(shù)為 Mie 散射相關(guān)探測技術(shù)，應用該技術(shù)的激光探測雷達稱(chēng)為 Mie 散射激光雷達。

Mie 散射是由大氣中粒徑較大的懸浮物引起的激光波長(cháng)不發(fā)生變化的彈性散射。

二、大氣臭氧的探測

自然界中的臭氧，大多分布在距地面 20km ～50km 的大氣中，我們稱(chēng)之為臭氧層。對大氣臭氧進(jìn)行探測使用的技術(shù)為差分吸收原理，檢測大氣臭氧的激光雷達稱(chēng)為大氣差分吸收激光雷達。

大氣差分吸收激光雷達通過(guò)同一光路同時(shí)發(fā)射兩束波長(cháng)相近的激光束，由于兩束激光處于同一光路且波長(cháng)相近，待測物質(zhì)對兩束激光有相同的影響，相互抵消誤差可以大大提高激光雷達的抗干擾特性。

三、大氣風(fēng)速的探測

準確及時(shí)的風(fēng)場(chǎng)數據可以提高長(cháng)期天氣預報的準確性，提高對颶風(fēng)等惡劣天氣跟蹤及登陸預報的準確性。目前對大氣風(fēng)速測量的激光雷達多采用多普勒效應，該類(lèi)激光雷達稱(chēng)為多普勒激光雷達。

多普勒激光雷達利用激光通過(guò)空氣中的微粒( 云和霧中的灰塵、水滴、鹽晶體、生物質(zhì)燃燒氣溶膠和污染的氣溶膠) 后向散射的回波信號產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行測量，通過(guò)分析和處理這些測量信息得到高時(shí)空分辨率、高精度的實(shí)時(shí)風(fēng)場(chǎng)數據。

四、大氣溫度、濕度的探測

溫度對海洋、天氣分析和預報、大氣物理、環(huán)境的研究起到很重要的作用。目前，探測大氣溫度的激光雷達有瑞利散射激光雷達、高光譜分辨率激光雷達和拉曼激光雷達。

隨著(zhù)人們對生活環(huán)境質(zhì)量的要求越來(lái)越高，大氣環(huán)境的有效監測和治理自然得到了廣泛關(guān)注，而及時(shí)、準確、高效的監測是前提。

激光雷達探測技術(shù)今后的發(fā)展趨勢主要體現在以下三個(gè)方面:

1、激光雷達技術(shù)的創(chuàng )新發(fā)展，主要指激光雷達系統中的硬件部分。創(chuàng )新和發(fā)展激光光源技術(shù)、發(fā)射和接收技術(shù)、信號采集和處理技術(shù)是提高大氣環(huán)境監測精度的最直接方法。

2、從單一參數探測功能向多參數探測功能方向發(fā)展。目前具有多種單一探測功能的激光雷達技術(shù)，利用理論模型將多種技術(shù)進(jìn)行有機融合，是降低探測成本和提高探測效率的有效途徑。

3、從單一平臺向多平臺相結合發(fā)展，優(yōu)勢互補，提高容錯糾錯能力，如將傳統的地基激光雷達與星載激光雷達探測手段相結合，建立相關(guān)的數據模型，從而擴大探測范圍和提高探測精度。

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