激光雷达在大气探测中的应用探讨

邹俊斌 周志鹏 穆冠君 高宇彤 王志成

摘 要：激光雷达具备能量密度高、波束定向性强以及探测波长短等优势，在大气探测过程中可以发挥出较强的探测灵敏度、较高的空间分辨率高等优势。本文就激光雷达在大气探测中的应用进行深入地探讨。

关键词：激光雷达；大气探测；应用

一、引言

激光雷达是一类主动式的现代化光学遥感技术，是现代化激光技术和传统雷达技术充分融合的产物。激光具备高相干性、高亮度性、高单色性以及高方向性等大量特征，所以激光雷达便具备着下述独有的优势：较强的抗干扰能力、较高的速度分辨率以及较广的测速范畴等等。并且激光雷达的重量与体积与微波雷达相比而言均比较小，便于运用。

二、激光雷达概述

激光雷达所指的是一种以发射激光束检测具体目标所处的位置以及速度等特征值的雷达体系。由其工作机理层面而言，和微波雷达没有本质性的差异：向目标传递出探测信号，接着将所收到的由目标所反馈的信号和发射信号实施对比，进行相应的处理以后，便能够取得目标的相关数据信息，比如：目标高度、距离、速度、方位以及姿态等有关数据，进而针对导弹、飞机等目标实施探测、辨别以及追踪等。

三、大气激光雷达探测机理分析

大气探测激光雷达的发射源大多是脉冲激光器，在具体运用环节垂直向大气当中发射出一束激光束。此激光束具备着较窄的脉冲宽度、较强的指向性以及高能量等特征。接着经过望远镜采集大气里面激光束和物质所形成的后向散射信号，需要去除其中所包含的杂散光信号，针对散射光实施相应的光谱分析，再通过信号的光电转变以后以取得最初的电信号。电信号往往是由数据采集卡又或是计算机实施相关数据的收集，针对信号进行分析以及数据反推便能够获得所需要的大气信息又或是数据。

四、激光雷达在大气探测中的应用

（1）大气气体成分检测

激光雷达能够高效地检测低层大气的污染状况，为空气当中的二氧化碳、臭氧以及二氧化氮等相关气体的光遥测提供了非常有效的测量方式。气体浓度、组分等数据的取得有利于针对大气里面的污染物进行深入地分析，以判定是否遭受了破坏与污染。

运用差分吸收激光雷达能够检测到大气当中二氧化碳的具体浓度。同时采取拉曼激光雷达针对低对流层中的二氧化碳进行分析，可以大致呈现出低对流层中二氧化碳的布局轮廓线，此便代表激光雷达具备极强的探测精准性与灵敏性。

（2）气溶胶、尘、烟探测

运用后向散射激光雷达能够针对气溶胶的立体浓度布局进行探测，经过针对不一样位置、不一样仰角的气溶胶实施检测，能够获得气溶胶消光指数的三维立体布局。除此之外，运用大气里面分子的拉曼与瑞利散射回波，经过分析信号不一样幅度的衰退，能够达到对于低空气溶胶的检测。还能够针对大气回波信号实施拼凑与反推，以取得大气的气溶胶光学特征，同时检验其探测信号的真实性。经过颗粒物监测装置、偏振-米散射激光雷达所取得的检测信息，融合风廓线等数据材料，运用气团后向轨迹可以识别出城市浮尘天气里面沙尘气溶胶的具体来源以及传递途径，验证了激光雷达探测方式的可靠性。除此之外，运用红宝石激光雷达还可以监测到空气当中烟羽的提升高度，同时在相应的大气平稳程度、烟气排放数据以及地形环境下，还能够获得几类不同烟气提升高度的相似公式。

（3）能见度探测

能见度的高低不但体现出了某个区域的大气环境品质，同时和人们的日常生活有着极为密切的联系，尤其是对于陆、海、空交通的影响更加显著。能见度相对较低的环境会给人们的生活带来非常多的不便以及各式各样的危害，往往是导致交通与飞机起降等事故的关键原因之一。所以，分析与把握大气能见度的改变特点以及其重点影响要素，是达到大气能见度精准预报的重要基础，并且还能够即时的反馈出该区域的大气环境品质的改变。和其它探测手段对比而言，激光雷达是一种全新的大气探测工具，能够经过针对激光和大氣互相作用的光辐射信号进行检测以确定大气具体的能见度数值，更为精准地呈现出大气对于传递其中的激光的衰退作用，进而发展成目前大气能见度探测的关键渠道。能见度主要有斜程能见度与水平能见度之分。其间，水平能见度在水平大气相对均衡环境下和消光指数的倒数成正相关性，运用此机理便能够经过激光雷达以明确相应的水平能见度。

（4）风探测

风速是气候学领域最为关键的参数之一，大气风速的监测对于全球气候不断变化的深入分析，增强数值天气预测的精准程度，探测机场气流、改善轮船、飞机行驶路线有着非常重要的意义，部分区域风场特点在航天飞机的起降、火箭发射以及军事等相关层面均具备极为重要的价值。运用激光多普勒雷达针对风场进行探测有着其它手段所无法相比的优势。多普勒测风激光雷达的检测形式主要有以下两种：非相干（直接）探测与相干（外差）探测模式。在1966年第一次运用相干激光雷达测风之后，通过50多年的不断发展，地基相干系统已较为完善，然而因为其对于发射激光的相干性有着过高的需求，对于接受、发射光学系统品质有着苛刻的要求，技术难以达到，极易受到空气湍流等因素所造成的影响，往往仅可运用至边缘层小风速的探测。在最近20年时间内，非相干检测技术备受人们的关注。

（5）大气湿度、温度探测

经过针对激光雷达回波信号的科学有效提取以及完全细致的分光，运用多数据同步反推计算方法，能够获得第一时间内的大气相对湿度的垂直性改变。经过激光雷达还能够达到对于高空温度的监测，同时融合数据的反推计算方法，针对效仿数据实施对应的计算分析，以取得加强平流层大气温度反推精准程度的计算方法。并且，运用转动拉曼激光雷达能够达到对于大气边缘层温度实施全过程高精准程度的监测，以取得大气温度的布局曲线，同时在散射比小于2.5的时候，探测的精准程度能够达到1 K。除此之外，瑞利-拉曼激光雷达经过消除背景噪音与加强小波算法的信噪比，能够在较大程度上增强大气温度廓线检测的精准性，和大气模式参数相比较，反映出了极强的一致性。所以，瑞利-拉曼激光雷达探测所获得的温度参数能够运用至气象学分析环节。

总而言之，伴随全球各个国家激光雷达材料长时间的累积，其必然会在天气预报方式和气候模式的材料同化系统当中起到着更为重要的作用，进而为气候与气候变化的分析作出更大的贡献。

参考文献

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