激光雷達(dá)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

徐從武 / 南京杰思爾設(shè)備工程有限公司

激光雷達(dá)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

徐從武 / 南京杰思爾設(shè)備工程有限公司

激光雷達(dá)作為一種新型技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在軍事工程、國(guó)民經(jīng)濟(jì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中。本文闡述了激光雷達(dá)的構(gòu)成及原理，介紹了激光雷達(dá)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)，希望對(duì)激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展具有一定的參考價(jià)值。

激光雷達(dá)；環(huán)境監(jiān)測(cè)；技術(shù)應(yīng)用

隨著時(shí)間推移，激光雷達(dá)技術(shù)已逐漸被廣泛應(yīng)用在軍事工程、科學(xué)研究、國(guó)民經(jīng)濟(jì)及環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，特別是對(duì)氣象因素測(cè)量及大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面顯示出其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)及光明的發(fā)展前景。

一、激光雷達(dá)的構(gòu)成及原理

依據(jù)直接型探測(cè)激光雷達(dá)可以對(duì)發(fā)射系統(tǒng)所發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行接收的原理，通過記錄信號(hào)傳播所需的時(shí)間來對(duì)距離進(jìn)行計(jì)算，從而得出信號(hào)起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的距離。

1.激光器的選擇。

在進(jìn)行激光器的選擇時(shí)需要遵從以下原則，需要考慮基于頻率，可靠性，耐用性，成本及使用性等多個(gè)方面，而半導(dǎo)體激光器與以上方面的要求相符合。由于半導(dǎo)體激光器本身所具有的相干性不高特點(diǎn)，在進(jìn)行間接型與直接型兩種探測(cè)方式的選擇時(shí)，毫無疑問應(yīng)選擇直接型探測(cè)方式。而直接型探測(cè)也有兩種探測(cè)方式，分別是脈沖型與連續(xù)型。脈沖型的工作原理是通過窄脈沖來對(duì)激光到達(dá)目的地的時(shí)間進(jìn)行記錄，并以對(duì)該時(shí)間的測(cè)量，通過公式R=1/2CT來計(jì)算起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的距離。其中R為距離，C為光速，往返時(shí)間為T。而連續(xù)型的工作原理是基于相位差原理，通過激光在起點(diǎn)與終點(diǎn)之間進(jìn)行連續(xù)的掃描，并通過起點(diǎn)與終點(diǎn)的激光器相位差來對(duì)兩者之間的距離進(jìn)行計(jì)算。而通過對(duì)兩者工作原理的比較，我們可以發(fā)現(xiàn)其各有所長(zhǎng)，但因?yàn)檫B續(xù)型具有耗時(shí)長(zhǎng)和操作難等缺點(diǎn)，所以人們一般都會(huì)選擇半導(dǎo)體脈沖激光器。

2.激光雷達(dá)的成像方法。

經(jīng)過對(duì)激光雷達(dá)的成像研究，我們發(fā)現(xiàn)其總共有三種成像方法，其中主要包括單元型探測(cè)器與面陣型探測(cè)器。首先說單元型探測(cè)器，單元型的探測(cè)范圍較小，其掃描方式是將已經(jīng)存在的掃描樣本發(fā)射到目的地中的每個(gè)位置，其掃描結(jié)果主要分為從目標(biāo)的角度到角度再到強(qiáng)度的圖像測(cè)量方式，與從目標(biāo)的角度到角度再到距離的兩種圖像測(cè)量方式。而面陣型探測(cè)器，其進(jìn)行的測(cè)量范圍包含掃描范圍中的每個(gè)像素點(diǎn)。而相空間掃描與物空間掃描都是激光雷達(dá)中的主要成像技術(shù)，而在進(jìn)行激光雷達(dá)掃描工作時(shí)采用物空間掃描方式進(jìn)行的一般有卵形、雙光楔、振鏡與轉(zhuǎn)鏡四種掃描方式。光機(jī)掃描是第三種掃描方式，其主要存在與物空間掃描方式中。在經(jīng)過大量的科學(xué)實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在對(duì)距離與強(qiáng)度圖像進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，應(yīng)采取激光掃描器對(duì)其進(jìn)行單元型測(cè)量，因?yàn)槭褂脝卧偷奶綔y(cè)方式，可以使預(yù)期結(jié)果符合研究標(biāo)準(zhǔn)，且相對(duì)來說更容易實(shí)現(xiàn)。

二、激光雷達(dá)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1.大氣污染分布的監(jiān)測(cè)。

給大氣造成污染問題的主要原因，是一種在低空大氣中存在豐富并被稱為氣溶膠的漂浮粒子。當(dāng)空氣中的漂浮粒子與激光雷達(dá)所發(fā)射出的激光發(fā)生反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象，并且入射光的波長(zhǎng)和漂浮粒子的尺度為同等數(shù)量的級(jí)別，而波長(zhǎng)的一次方與散射系數(shù)成反比，而根據(jù)這一特點(diǎn)，米氏散射激光雷達(dá)可以對(duì)空間分布、氣溶膠濃度及可見度進(jìn)行測(cè)定。同時(shí)也可以對(duì)沙塵暴的產(chǎn)生、途經(jīng)路線及其沉降過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，方便不同地區(qū)針對(duì)不同類型的沙塵暴采取不同應(yīng)對(duì)措施，并通過植樹造林等手段以阻礙或改變沙塵暴的路線。

2.大氣成分的監(jiān)測(cè)。

利用氣體分子使激光被吸收及其被大氣分子、氣溶膠的后向散射兩方面的作用效果來對(duì)差分吸收激光雷達(dá)進(jìn)行合理設(shè)置，其主要功能是用來測(cè)定大氣中的成分，這之中包括臭氧、水蒸汽及大氣污染的空間濃度及分布情況等。其工作原理主要是通過激光雷達(dá)發(fā)射出兩種不等波長(zhǎng)的光，然后一個(gè)波長(zhǎng)被調(diào)到等待監(jiān)測(cè)物質(zhì)的吸收線上，另一個(gè)波長(zhǎng)則被調(diào)到吸收線上較小吸收系數(shù)的邊翼，并將兩種波長(zhǎng)以高重復(fù)頻率的形式交替發(fā)射到大氣中。而由于被測(cè)對(duì)象將兩種波長(zhǎng)光信號(hào)進(jìn)行不同程度的吸收，使激光雷達(dá)測(cè)量到了兩種波長(zhǎng)信號(hào)的衰減差，然后，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，便能夠得出被測(cè)對(duì)象的濃度及分布，完成測(cè)量目的。

3.氣象要素的監(jiān)測(cè)。

針對(duì)氣象因素探測(cè)也是激光雷達(dá)廣泛應(yīng)用中的一大領(lǐng)域，且不僅能對(duì)平流層的氣象參數(shù)進(jìn)行探測(cè)，并能對(duì)對(duì)流層內(nèi)的溫、濕、風(fēng)、壓等基本參數(shù)進(jìn)行探測(cè)，以及對(duì)能見度及低云等參數(shù)的探測(cè)。針對(duì)云的探測(cè)主要為測(cè)云厚、云底高及云的層次，而測(cè)量精度控制在10米之內(nèi)即可。對(duì)風(fēng)的探測(cè)主要為風(fēng)向、風(fēng)速，一般水平風(fēng)向的精度應(yīng)小于5度，而水平風(fēng)速的精度應(yīng)小于1m/s。而在進(jìn)行氣壓測(cè)量與溫度輪廓線時(shí)通常會(huì)采用差分吸收激光雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)。激光雷達(dá)還可以對(duì)大氣溶膠、晴空湍流及雷暴強(qiáng)度進(jìn)行探測(cè)，并為氣象研究與應(yīng)用提供真實(shí)有效的資料。

4.路面狀況的監(jiān)測(cè)。

如果需要對(duì)重要交通路段或是高速公路進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作，可以在工作過程中采用小型或微型的激光雷達(dá)。其主要是對(duì)路面的凹凸程度進(jìn)行測(cè)量，如果路面存在積雪、冰層或雨水等，也同樣可以對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作。通過使用激光雷達(dá)進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作，不僅使公路交通得到科學(xué)有效的管理，同時(shí)也保證了交通安全，并能夠及時(shí)的應(yīng)對(duì)突發(fā)事故，減少事故造成的損失。

三、環(huán)境監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)

自20世紀(jì)開始發(fā)展以來，環(huán)境監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)已得到了廣泛的認(rèn)可及應(yīng)用，并隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大也在不斷地創(chuàng)新與發(fā)展。

1.體制創(chuàng)新。

伴隨新工藝、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，環(huán)境監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)的體制也在不斷進(jìn)行創(chuàng)新，并結(jié)合應(yīng)用環(huán)境的不同，目的的不同而采用不同的體制。例如對(duì)路面的檢測(cè)可以選擇成象激光雷達(dá)，對(duì)云的探測(cè)可選擇動(dòng)目標(biāo)指示激光雷達(dá)。

2.載體增多。

結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)境的需要，對(duì)激光雷達(dá)選擇不同的載體。除機(jī)載與星載外，還可以把留系氣艇、氣球作為空中載體；車載是用的最多的陸上載體，但也可以把激光雷達(dá)設(shè)置在一定高度，例如鐵塔、屋頂?shù)冉ㄖ铮辜す饫走_(dá)的監(jiān)測(cè)區(qū)域更大。

3.功能求全。

在環(huán)境檢測(cè)激光雷達(dá)的發(fā)展過程中，對(duì)功能的不斷求全是其發(fā)展中的顯著特點(diǎn)。其分別表現(xiàn)為兩方面，一是拓寬頻段，增加功能。例如1998年由日本環(huán)境廳國(guó)立公害研制所研發(fā)的NIES臭氧激光雷達(dá)，其內(nèi)部分為兩個(gè)系統(tǒng)，并且兩個(gè)系統(tǒng)中的光源可以發(fā)射出三種不同波長(zhǎng)的光。所以，在進(jìn)行平流層或?qū)α鲗拥奶綔y(cè)工作時(shí)，為確保其置信度及測(cè)量精度，應(yīng)采用不同波段進(jìn)行探測(cè)。另一方面是多功能一體化。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，可以將其與其他的傳感裝置集成一體。例如正在發(fā)展中的美國(guó)空軍所設(shè)計(jì)的機(jī)載多功能光電系統(tǒng)（MISSIONS），該系統(tǒng)就是將目標(biāo)識(shí)別、目標(biāo)指控、目標(biāo)捕控、威脅警告、紅外定向干擾等功能集成于一體的光電集成系統(tǒng)。

4.技術(shù)提高。

在環(huán)境監(jiān)測(cè)雷達(dá)的發(fā)展過程中，不僅要考慮到減小體積，減輕質(zhì)量，激光與操作人員眼睛的安全方面等問題，還應(yīng)降低成本、提高激光雷達(dá)的輸出功率，從而使輻射源為二極管激光器與二極管泵浦的固體激光器做成的激光雷達(dá)能夠得到迅速發(fā)展，并成為激光雷達(dá)發(fā)展與研究過程中的熱點(diǎn)。

而隨著環(huán)境監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)的發(fā)展，其數(shù)字處理技術(shù)也在不斷提高，從而使其自動(dòng)化處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)建立各種數(shù)據(jù)庫(kù)與數(shù)據(jù)模型，對(duì)所監(jiān)測(cè)的數(shù)組可以對(duì)其進(jìn)行修正，以使數(shù)據(jù)的可靠性及利用率得到有效提高。

四、總結(jié)

作為一種重要的環(huán)境檢測(cè)手段，激光雷達(dá)具有探測(cè)靈敏度高、時(shí)空分辨率高及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以，通過記過雷達(dá)來進(jìn)行對(duì)大氣的監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析，并以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立預(yù)測(cè)大氣環(huán)境的理論模型，同時(shí)也為環(huán)境治理及氣候變化等研究問題提供了新的途徑與科學(xué)依據(jù)。并且，激光雷達(dá)具有實(shí)施成本低、體積小、效果好的優(yōu)點(diǎn)，所以方便推廣及使用多種載具作為載體。當(dāng)前一些國(guó)家已經(jīng)成功制作出星載、機(jī)載和車載激光雷達(dá)系統(tǒng)，相信未來激光雷達(dá)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用會(huì)更為廣泛。

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