激光雷达在大气环境监测和气象中的应用研究

车昕(山东省临沂生态环境监测中心，山东 临沂 276000)

1 激光雷达结构分类及其技术特点

1.1 激光雷达结构分类状况

激光雷达本身是一种遥感探测设备，从整体结构来看，其不仅包含激光发射、回波信号接收装置，还涉及信息采集和控制等单元。在实际探测中，激光束会和大气中的物质进行相互作用，并由此形成一定的回波信号，通过对这些回波信号的控制分析，可实现大气物理要素的精准探测。

基于工作物质的不同，激光雷达在形式划分中具有较大差异。现阶段，气体、半导体、固体是激光雷达工作中常用到的几种不同物质，这也使得激光雷达分为气体激光雷达、半导体激光雷达和固体激光雷达[1]。相对而言，气体激光雷达中CO激光雷达应用较广，其在大气环境检测中应用广泛；而半导体激光雷达经济优势明显，其能有效地节省大气环境监测的成本；此外，固体激光雷达主要应用在大气中气溶胶、雾以及有害气体成分监测当中，整体效益较为突出。

1.2 激光雷达的技术特征

激光雷达结合了传统雷达技术与现代激光技术，与普通微波雷达相比，激光雷达在探测中优势突出。一方面，激光雷达使用激光束进行目标物探测，这使得探测工作频率较高，可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。另一方面，激光雷达的抗干扰能力较为突出，基于此，其可以快速满足低空探测需要，并在工作中表现出单色性好、方向性强的特征。此外，该设备还具有体积小、质量轻的优势。这些优势特征使得激光雷达的应用范围不断扩大，现阶段，环境监测、航天、通信、导航和定位等领域均有激光雷达的应用，有效地实现了遥感探测的精确化、现代化发展。

2 激光雷达在大气环境监测和气象中的应用

在大气环境监测和气象工作中，激光雷达监测技术的应用具有较强优势，从目前监测现状来看，气溶胶以及边界层、温度、大气能见度、风廓线探测中均有激光雷达的应用。

2.1 探测气溶胶以及边界层

气溶胶具有吸收和散射太阳辐射的能力，这对于全球气候的变化造成深刻影响。就边界层而言，其指的是大气边界层。在当前大气环境监测及气象工作中，对于气溶胶和边界层进行监测，能实现全球气候变化的有效预测。就激光雷达而言，其发射出的激光束会和边界层中的物质发生反应，并由此反射回一定的回波信号，分析并应用这一回波信号，能实现空气污染物的扩散、传输模式的分析以及环境空气质量的预报模式。近年来，全球气象问题愈发突出，这使得激光探测技术的应用不但深入，在实际探测中，主要探测对象包含了大气中气溶胶、黄沙、雾霾、沙尘等诸多内容，这些内容的监测对于气象灾害预防工作开展具有较强的指导意义[2]。譬如，在我国，有较多的地区建立了双波长偏振雷达观测网，并且通过这一网络，对气溶胶和边界层进行全面探测，有效地扩大了气溶胶、边界层测量高度和垂直跨度，提升了气象监测效果。

2.2 探测温度

作为气象工作的一个重要参考指标，温度探测至关重要；目前，温度已经成为天气播报中必不可少的一个气象因素。在温度探测中，激光雷达的应用为实际探测工作开展提供了有效途径，并有效地提升了温度探测的精度。在温度探测中，瑞利散射、拉曼激光雷达是两种较为常见的监测形式。就瑞利散射而言，散射激光会通过全反镜垂直向上射入大气，并获得一定的温度测量信息。需注意的是，瑞利散射在低空测量中适用性不强，这是因为在30km以下，大气中的气溶胶较多，容易对瑞利散射造成干扰。拉曼激光雷达探测包含了振动性和转动性两种形式，均可以实现气象温度的精准测量。

2.3 探测大气能见度

在大气能见度监测中，激光雷达监测技术的应用优势极为突出。作为一种新型大气探测技术，该技术与大气相互作用后获得能见度信号，使得大气能见度测量的精度更高，为人们的出行提供有效指导。就大气能见度本身而言，它是反映大气透明度的一个重要指标，受大气透过率和衰减系统影响，大气能见度具有动态变化的特点。现阶段，采用激光雷达进行大气能见度监测，其实际监测受多云、晴天、阴天、雨天的影响较小，这是因为激光发射单元采用脉冲式的激光器来发射监测信号，在光电倍增管和雪崩二极管的支撑下，探测并接收信号，使激光信号对于大气能见度的探测角度、距离和速度分辨率得以有效提升，依据这些资料，进行监测数据分析，工作人员能提升预报预警的准确度。

2.4 探测风廓线

在传统探测模式下，对于风的探测主要是指探测风度大小，然而在风向和风力值探测方面效果并不明显。在激光雷达技术体系下，气象探测工作能对风度大小、风向、风力值等要素进行全面探测[3]。在传统探测中，一旦空气中存在湍流，风力实际测量结果会受到较大影响，采用新式探测技术，能有效地解决湍流对风力测量的影响，整体效益较为突出。在实际探测中，晴空下的湍流对于电磁波的折射率具有差异性。受风度大小、风向、风力值等要素的影响，风廓线前后不一，其湍流形态也有差异，当激光雷达发送的信号遇到湍流时，会产生较强的散射，此时，利用激光雷达多普勒测速原理，即可实现不同高度随风移动湍流速度和风向的有效测定，最后在对测量的数据进行分析，即可实现风速、风向的实时测量。在北方地区，较大风速会带来黄沙、雾霾天气，促使空气中胶凝质增多，而在南方地区，大风会携带较大水汽，带来阴雨、台风、海啸，利用激光雷达测定风廓线，可实现这些天气的有效预测，这对环境空气质量的预报预测、大气污染防治和气象灾害预防具有积极作用。

新时期，基于激光雷达探测技术在气溶胶、边界层、温度、大气能见度、风廓线探测方面的优势，全球范围内大面积建立了地基雷达观测网，基于该观测网，也可以实现台风、地震、洪水灾害等突发事件的实施监测和信息传达，这为突发事件预警及人们生命防护创造了有利条件。

如今，激光雷达在环境监测、航天、通信、导航和定位等领域的应用不断深入，多层次、多方位的应用使得激光雷达在空间范围、物质种类方面的功能不断优化，而且在探测持续时间方面潜力巨大。在大气环境监测和气象工作中，基于实际管理需要，激光雷达监测技术开始朝着精细化和定量化的方向发展，这为全球气候变化研究和气象灾害预报提供了系统、长期和稳定的监测资料，有效地满足了大气环境监测工作的需要。

3 激光雷达在大气环境监测和气象中的应用问题及改进措施

3.1 激光雷达在大气环境监测和气象中的应用问题

作为一种新兴的主动遥感工具，激光雷达探测在探测跨度、空间分辨率、测量精度方面优势突出，这使得其在多个领域均有深入应用。然而从实际应用过程来看，其仍然存在相应的缺陷。首先，激光在传输中受光速、折射率、散射等因素的影响，实际精度会有所降低。其次，当遇到浓雾、雨、雪天气时，激光雷达的探测作业效果受到影响。此外，受波束等因素的影响，其在搜索范围、捕获目标方面尚有较大提升空间。

3.2 激光雷达在大气环境监测和气象中的应用改进

针对激光雷达在大气环境监测和气象中出现的问题，在今后探测发展中，还需从以下几个方面进行改进：一，注重激光光源、发射与接收光学、信号探测与采集等单元的不断创新，通过提升发展雷达新技术，实现探测范围扩大和精度提升。二，注重多波长多探测功能的有效开发，提升激光雷达获取目标的能力。三，建设区域性大面积空间覆盖的地基激光雷达观测网，这样能充分满足气象、气候与环境研究的需要。四，传统管理模式下，激光雷达以平台、地基和车载为基础，在新的管理模式下，应注重机载和星载激光雷达的进一步发展，这样能使得大气参数的探测范围从局地单点扩大到一个区域乃至全球。

4 基于激光雷达技术的大气环境监测和气象监测实践

4.1 激光雷达技术探测实践背景

2016年5月，我国新疆东部和南疆盆地远距离输送来一股沙尘气溶胶，虽然这些沙尘最终被秦巴山川所阻挡，然而在途径区域，使得多个城市出现了沙尘、雾霾天气，影响了多个城市的大气环境和空气质量。某市主城区受沙尘气溶胶影响，空气中吸入颗粒物和细颗粒物因子明显增加。为实现空气中沙尘气溶胶浓度的有效监控，该市采用激光雷达技术进行了实际监测。

4.2 激光雷达技术探测过程

本项目实践中，主要是对空气中的吸入颗粒物和细颗粒物因子进行监测。测量设备采用安徽蓝盾光电子股份有限公司生产的常规环境空气质量颗粒物监测仪和气象观测仪。在全市范围内设置多个环境空气质量国控自动监测站点，对环境空气质量进行监测和评价。具体探测中，项目采用了颗粒物激光雷达测量手段，颗粒物激光雷达为AGHJ-I-LDAR(MPL)系列微脉冲激光雷达，该测量设备包含了光学系统、信号采集系统和计算机三个部分。在实际测量中，进行以下指标控制(见表1)。完成探测后，采用SPSS22.0软件对沙尘气溶胶污染情况进行数据分析，同时，在Spearman相关性分析系统下，对差异显著性展开分析，最终实现空气中PM2.5浓度、PM10浓度和PM2.5/PM10值与气象因子相关性的系统分析。

5 结语

激光雷达技术对于大气环境监测和气象工作的开展具有重大影响。新经济形势下，人们对于大气环境监测和气象工作提出了较高要求，不断提升这些工作开展的效率和精度质量是此类工作高质量发展的内在需要。在实际探测中，工作人员只有系统掌握激光雷达技术的应用原理，深化其在大气环境监测和气象工作中的应用范围，并进行应用技术的创新，才能有效提升激光雷达技术应用水平，保证大气环境监测和气象工作开展的效率与质量。