激光雷達在大氣環境監測和氣象中的應用研究

車昕(山東省臨沂生態環境監測中心，山東 臨沂 276000)

1 激光雷達結構分類及其技術特點

1.1 激光雷達結構分類狀況

激光雷達本身是一種遙感探測設備，從整體結構來看，其不僅包含激光發射、回波信號接收裝置，還涉及信息采集和控制等單元。在實際探測中，激光束會和大氣中的物質進行相互作用，并由此形成一定的回波信號，通過對這些回波信號的控制分析，可實現大氣物理要素的精準探測。

基于工作物質的不同，激光雷達在形式劃分中具有較大差異。現階段，氣體、半導體、固體是激光雷達工作中常用到的幾種不同物質，這也使得激光雷達分為氣體激光雷達、半導體激光雷達和固體激光雷達[1]。相對而言，氣體激光雷達中CO激光雷達應用較廣，其在大氣環境檢測中應用廣泛；而半導體激光雷達經濟優勢明顯，其能有效地節省大氣環境監測的成本；此外，固體激光雷達主要應用在大氣中氣溶膠、霧以及有害氣體成分監測當中，整體效益較為突出。

1.2 激光雷達的技術特征

激光雷達結合了傳統雷達技術與現代激光技術，與普通微波雷達相比，激光雷達在探測中優勢突出。一方面，激光雷達使用激光束進行目標物探測，這使得探測工作頻率較高，可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率。另一方面，激光雷達的抗干擾能力較為突出，基于此，其可以快速滿足低空探測需要，并在工作中表現出單色性好、方向性強的特征。此外，該設備還具有體積小、質量輕的優勢。這些優勢特征使得激光雷達的應用范圍不斷擴大，現階段，環境監測、航天、通信、導航和定位等領域均有激光雷達的應用，有效地實現了遙感探測的精確化、現代化發展。

2 激光雷達在大氣環境監測和氣象中的應用

在大氣環境監測和氣象工作中，激光雷達監測技術的應用具有較強優勢，從目前監測現狀來看，氣溶膠以及邊界層、溫度、大氣能見度、風廓線探測中均有激光雷達的應用。

2.1 探測氣溶膠以及邊界層

氣溶膠具有吸收和散射太陽輻射的能力，這對于全球氣候的變化造成深刻影響。就邊界層而言，其指的是大氣邊界層。在當前大氣環境監測及氣象工作中，對于氣溶膠和邊界層進行監測，能實現全球氣候變化的有效預測。就激光雷達而言，其發射出的激光束會和邊界層中的物質發生反應，并由此反射回一定的回波信號，分析并應用這一回波信號，能實現空氣污染物的擴散、傳輸模式的分析以及環境空氣質量的預報模式。近年來，全球氣象問題愈發突出，這使得激光探測技術的應用不但深入，在實際探測中，主要探測對象包含了大氣中氣溶膠、黃沙、霧霾、沙塵等諸多內容，這些內容的監測對于氣象災害預防工作開展具有較強的指導意義[2]。譬如，在我國，有較多的地區建立了雙波長偏振雷達觀測網，并且通過這一網絡，對氣溶膠和邊界層進行全面探測，有效地擴大了氣溶膠、邊界層測量高度和垂直跨度，提升了氣象監測效果。

2.2 探測溫度

作為氣象工作的一個重要參考指標，溫度探測至關重要；目前，溫度已經成為天氣播報中必不可少的一個氣象因素。在溫度探測中，激光雷達的應用為實際探測工作開展提供了有效途徑，并有效地提升了溫度探測的精度。在溫度探測中，瑞利散射、拉曼激光雷達是兩種較為常見的監測形式。就瑞利散射而言，散射激光會通過全反鏡垂直向上射入大氣，并獲得一定的溫度測量信息。需注意的是，瑞利散射在低空測量中適用性不強，這是因為在30km以下，大氣中的氣溶膠較多，容易對瑞利散射造成干擾。拉曼激光雷達探測包含了振動性和轉動性兩種形式，均可以實現氣象溫度的精準測量。

2.3 探測大氣能見度

在大氣能見度監測中，激光雷達監測技術的應用優勢極為突出。作為一種新型大氣探測技術，該技術與大氣相互作用后獲得能見度信號，使得大氣能見度測量的精度更高，為人們的出行提供有效指導。就大氣能見度本身而言，它是反映大氣透明度的一個重要指標，受大氣透過率和衰減系統影響，大氣能見度具有動態變化的特點。現階段，采用激光雷達進行大氣能見度監測，其實際監測受多云、晴天、陰天、雨天的影響較小，這是因為激光發射單元采用脈沖式的激光器來發射監測信號，在光電倍增管和雪崩二極管的支撐下，探測并接收信號，使激光信號對于大氣能見度的探測角度、距離和速度分辨率得以有效提升，依據這些資料，進行監測數據分析，工作人員能提升預報預警的準確度。

2.4 探測風廓線

在傳統探測模式下，對于風的探測主要是指探測風度大小，然而在風向和風力值探測方面效果并不明顯。在激光雷達技術體系下，氣象探測工作能對風度大小、風向、風力值等要素進行全面探測[3]。在傳統探測中，一旦空氣中存在湍流，風力實際測量結果會受到較大影響，采用新式探測技術，能有效地解決湍流對風力測量的影響，整體效益較為突出。在實際探測中，晴空下的湍流對于電磁波的折射率具有差異性。受風度大小、風向、風力值等要素的影響，風廓線前后不一，其湍流形態也有差異，當激光雷達發送的信號遇到湍流時，會產生較強的散射，此時，利用激光雷達多普勒測速原理，即可實現不同高度隨風移動湍流速度和風向的有效測定，最后在對測量的數據進行分析，即可實現風速、風向的實時測量。在北方地區，較大風速會帶來黃沙、霧霾天氣，促使空氣中膠凝質增多，而在南方地區，大風會攜帶較大水汽，帶來陰雨、臺風、海嘯，利用激光雷達測定風廓線，可實現這些天氣的有效預測，這對環境空氣質量的預報預測、大氣污染防治和氣象災害預防具有積極作用。

新時期，基于激光雷達探測技術在氣溶膠、邊界層、溫度、大氣能見度、風廓線探測方面的優勢，全球范圍內大面積建立了地基雷達觀測網，基于該觀測網，也可以實現臺風、地震、洪水災害等突發事件的實施監測和信息傳達，這為突發事件預警及人們生命防護創造了有利條件。

如今，激光雷達在環境監測、航天、通信、導航和定位等領域的應用不斷深入，多層次、多方位的應用使得激光雷達在空間范圍、物質種類方面的功能不斷優化，而且在探測持續時間方面潛力巨大。在大氣環境監測和氣象工作中，基于實際管理需要，激光雷達監測技術開始朝著精細化和定量化的方向發展，這為全球氣候變化研究和氣象災害預報提供了系統、長期和穩定的監測資料，有效地滿足了大氣環境監測工作的需要。

3 激光雷達在大氣環境監測和氣象中的應用問題及改進措施

3.1 激光雷達在大氣環境監測和氣象中的應用問題

作為一種新興的主動遙感工具，激光雷達探測在探測跨度、空間分辨率、測量精度方面優勢突出，這使得其在多個領域均有深入應用。然而從實際應用過程來看，其仍然存在相應的缺陷。首先，激光在傳輸中受光速、折射率、散射等因素的影響，實際精度會有所降低。其次，當遇到濃霧、雨、雪天氣時，激光雷達的探測作業效果受到影響。此外，受波束等因素的影響，其在搜索范圍、捕獲目標方面尚有較大提升空間。

3.2 激光雷達在大氣環境監測和氣象中的應用改進

針對激光雷達在大氣環境監測和氣象中出現的問題，在今后探測發展中，還需從以下幾個方面進行改進：一，注重激光光源、發射與接收光學、信號探測與采集等單元的不斷創新，通過提升發展雷達新技術，實現探測范圍擴大和精度提升。二，注重多波長多探測功能的有效開發，提升激光雷達獲取目標的能力。三，建設區域性大面積空間覆蓋的地基激光雷達觀測網，這樣能充分滿足氣象、氣候與環境研究的需要。四，傳統管理模式下，激光雷達以平臺、地基和車載為基礎，在新的管理模式下，應注重機載和星載激光雷達的進一步發展，這樣能使得大氣參數的探測范圍從局地單點擴大到一個區域乃至全球。

4 基于激光雷達技術的大氣環境監測和氣象監測實踐

4.1 激光雷達技術探測實踐背景

2016年5月，我國新疆東部和南疆盆地遠距離輸送來一股沙塵氣溶膠，雖然這些沙塵最終被秦巴山川所阻擋，然而在途徑區域，使得多個城市出現了沙塵、霧霾天氣，影響了多個城市的大氣環境和空氣質量。某市主城區受沙塵氣溶膠影響，空氣中吸入顆粒物和細顆粒物因子明顯增加。為實現空氣中沙塵氣溶膠濃度的有效監控，該市采用激光雷達技術進行了實際監測。

4.2 激光雷達技術探測過程

本項目實踐中，主要是對空氣中的吸入顆粒物和細顆粒物因子進行監測。測量設備采用安徽藍盾光電子股份有限公司生產的常規環境空氣質量顆粒物監測儀和氣象觀測儀。在全市范圍內設置多個環境空氣質量國控自動監測站點，對環境空氣質量進行監測和評價。具體探測中，項目采用了顆粒物激光雷達測量手段，顆粒物激光雷達為AGHJ-I-LDAR(MPL)系列微脈沖激光雷達，該測量設備包含了光學系統、信號采集系統和計算機三個部分。在實際測量中，進行以下指標控制(見表1)。完成探測后，采用SPSS22.0軟件對沙塵氣溶膠污染情況進行數據分析，同時，在Spearman相關性分析系統下，對差異顯著性展開分析，最終實現空氣中PM2.5濃度、PM10濃度和PM2.5/PM10值與氣象因子相關性的系統分析。

5 結語

激光雷達技術對于大氣環境監測和氣象工作的開展具有重大影響。新經濟形勢下，人們對于大氣環境監測和氣象工作提出了較高要求，不斷提升這些工作開展的效率和精度質量是此類工作高質量發展的內在需要。在實際探測中，工作人員只有系統掌握激光雷達技術的應用原理，深化其在大氣環境監測和氣象工作中的應用范圍，并進行應用技術的創新，才能有效提升激光雷達技術應用水平，保證大氣環境監測和氣象工作開展的效率與質量。