激光雷达在气象和大气环境监测中的应用分析

徐梅

摘    要：将激光雷达应用在大气环境监测中，能够更准确地预测气象变化。本篇文章就主要介绍了激光雷达的作用原理以及激光雷达在大气环境监测中的具体应用。

关键词：激光雷达;气象;大气环境监测

激光雷达技术是在二十世纪中后期出现的，到如今已经有40多年的发展历史，尽管发展时间不长，但已经获得了飞快的进步。激光雷达体积较小、抗干扰能力强，并且波的长短以及方向性都能够满足使用需求;除此之外，激光雷达的探测灵敏度和空间分辨率较高，目前已经广泛应用在军事和经济等领域，另外在是在气象监测中，激光雷达所发挥的作用是非常重大的，可以为气象预测和方案的制定提供支持。

一、激光雷达的介绍

激光雷达主要是以激光器为主要辐射源，以光电探测器为接收器，而天线是光学望远镜;它主要是通过发射激光来对回拨的距离进行测定，并同时完成定位工作，利用位置、速度以及目标物体的反射特征来完成识别，整个流程可以很好的展现发射扫描和信号接受技术，是目前最常用且最有效的一种主动要干工具。激光雷达可以在发射激光束后在不同时间段内来接受回波的信号，而且在接收信号时可以通过激光的脉冲延时和光速来对大气回拨到雷达探测的距离进行计算。激光雷达系统由以下几个部分组成，分别是激光器、接收天线、发射器、探测器、信号处理和接受系统。

二、激光雷达在大气环境监测中的应用

1.气溶胶和云的监测。当气体或固体微粒通过均匀分布的形态而存在于大气层中时，就会形成一种比较稳定的悬浮体系，这一体系就是气溶胶。虽然气溶胶在大气中的含量很低，但对大气变化所产生的影响很大。这些小含量的气溶胶也能对太阳辐射进行散射和吸收，从而直接影响气候，这种影响和气溶胶自身的粒子形状、化学组成以及分布状态等有关。另外，大气的气溶胶也可以形成云的凝结核来影响云的寿命，从而以间接形式影响气候变化，这些影响主要是太阳的反射效应以及温室效应等。这些不能准确预测的效应，能够对区域内甚至全球的气候造成严重影响，所以分析大气气溶胶的化学和物理特性以及时空分布特点具有非常重要的实际意义。

目前，米散射技术是能够应用于大气气溶胶探测的技术，将米散射技术和激光雷达结合在一起，就形成了探测气溶胶的激光雷达——米散射激光雷达。它最主要的特点是散射粒子的实际尺寸以及激光波长能够处于相似或相近状态，或是比入射激光波要长散射波光，甚至可以达到和入射光相同的水平，这样可以在散射时少受光能交换，最终形成弹性散射。和其他光散射机制相比，米散射的散射面更高，所以在激光雷达的回波信号接收中能力就比较强。激光脉冲发射到大气的过程中，存在于大气层中的气溶胶粒子或云粒子就会对这一路径上带有激光脉冲的粒子进行散射，与位置有关且高度不同的后散射光的实际强弱会和高度位置中大气气溶胶的粒子以及云粒子的散射程度有关;利用激光雷达可以探测到后向散射光，并且能够利用米散射技术与雷达方程得出大气气溶胶粒子和云粒子在不同高度中的具体消耗系数。

2.大气组分的探测。大气分子和激光的非弹性作用这一过程就是Raman散射。这一散射中光波和入射光不同，因此成为这一散射的最主要特点。在散射的过程中，会有长波向短波方向移动的现象，与此同时，散射波的实际波长以及其向短波移动的距离会收到散射分子种类的影响，所以说Raman散射的波长和移动距离和散射分子的能量级别是有关联的，分子的能级以及能量差会对分子的内部特征造成影响，从而出现分子特征不同的现象。因此，要想得知散射分子的具体种类，就必须要测量散射波长以及移动的距离，进而利用这一散射来对大气的祖坟进行更准确的辨认监测。

Raman散射激光雷达目前只能探测大气中浓度较高的组分，而类似臭氧、氮氧化物等这些浓度较低的大气组分的探测对于大气也有着重要意义。吸收相互作用在大气与激光的相互作用中有着比较大的截面，另外，吸收也是一个与共振有关的过程，可以对大气组分进行辨认，所以利用与吸收机制有关的激光雷达就可以对大气中的臭氧、二氧化碳等浓度较低的组分进行探测，从而实现对大气所有组分的探测。在Raman散射激光雷达中，发射出的激光有两种波长，其中一个波长必须在与探测大气组分有关的强吸收线上，另一个则要与弱吸收线相吻合，由于这两个波长比较相近，所以在大气溶胶所造成的散射和消光上他们是相同的，所以只需要对大气分子的具体吸收系数进行探究，就可以根据两个波长的数值来对大气后向散射的回波信号进行判断，从而根据测量得到大气分子浓度的垂直廓线。在最近几年的发展中，由于大气气溶胶对探测精度会产生影响，而且需要对更多大气组分进行探测，所以还提出了有关红外波段的探测技术。

3.大气动力学参数的监测。利用激光雷达所探测出的与大气动力学有关的参数主要有四种，分别是温度、湍流、风力和重力波。在地面以上80-120千米的中间顶层以及电离层的底部，都具有很丰富的金属蒸汽层，例如钠、钾、钙、铁等，将这些不同的金属原子当作示踪物来对大气动力学进行研究是一种非常有效的方法。共振荧光的激光雷达探测能够对高层大气的温度、重力和风等内容进行探测，对大气温度的探测需要借助瑞利散射技术，将这一技术和激光雷达相结合就是瑞吉散射激光雷达。它主要是通过对大气分子的瑞利散射来进行利用，当大气保持平静平衡状态时，利用理想状态的气体有关方程可以反向验算出大气的具体温度。一般情况下，探测范围是30-80千米的中层大气，利用大气中某种气体分子的纯转动以及拉曼散射的强度可以得知与大气温度有关系的函数关系，从而利用这一气体分子的实际转动拉曼辐射强度数值计算出大气在对流层中的实际温度。

结论

总之，激光雷达是目前对大气环境进行监测的主要手段，它的抗干扰能力很强，并且能够灵活监测，能够更准确的分辨时空。利用激光雷达来对大气实行监测可以更高效地對气象数据进行收集和分析，从而建立理论模型，以便更好地应对气候变化，同时对于环境治理等有着非常重要的意义。

参考文献：

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