大氣環境遙感監測激光雷達產品技術淺析

李發帝 呂長彬 錢尼文

摘?要：大氣激光雷達是大氣環境遙感監測領域重要的監測設備，在大氣氣溶膠、風速、溫度和氣體成分探測方面發揮著重要作用。傳統大氣激光雷達是以脈沖激光為光源、望遠鏡同軸或平行軸接收信號、光電探測器完成光電轉換;沙氏大氣激光雷達是近年來發展的一項新型大氣激光雷達技術，以連續激光作為光源、望遠鏡傾斜接收光信號、CCD相機作為探測器。本文對兩者進行介紹和比較，旨在為大氣環境監測方面提供產品選擇和應用分析參考。

關鍵詞：傳統大氣激光雷達;沙氏大氣激光雷達;大氣環境遙感監測

一、大氣激光雷達概述

激光雷達技術作為一種主動光學遙測技術，在大氣環境監測領域有著廣泛應用，可獲取氣溶膠消光系數、退偏比、粒徑特性和多普勒頻移等參數，從而分析大氣透過率、污染成分、風速、污染擴散途徑等。

大氣激光雷達可分為米散射激光雷達、拉曼激光雷達以及高光譜分辨率激光雷達和用于氣體成分觀測的差分吸收激光雷達、相干測風激光雷達等。國內外的高校科研院所正在不斷拓展應用領域。

對于大氣激光雷達來說，以實現技術為基礎理解商業化產品的性能和特性尤為重要。目前，激光雷達的探測波長由單一波長發展為多波長。激光雷達的載體由地基型發展為車載、船載、機載及星載，廣泛應用于探測大氣氣溶膠、能見度、大氣邊界層、大氣污染氣體、水汽、臭氧、大氣風場、大氣溫度和大氣密度等?？梢灶A料，激光雷達技術的不斷發展，將在大氣環境遙感監測領域有著更為廣闊的應用前景。

沙氏激光雷達（SLidar）采用連續波光源（如連續波高功率二極管激光器），傾斜CCD/CMOS圖像探測器采集滿足沙氏成像原理條件的大氣后向散射光，以角度分辨的方式獲得距離分辨，成功實現距離分辨的大氣后向散射信號探測。近幾年來，SLidar技術相關的研究工作展示了其在大氣環境探測方面的巨大應用潛力，成為傳統大氣激光雷達技術的補充。

本文將對沙氏激光雷達和傳統大氣激光雷達進行簡單介紹和比較。

二、傳統大氣激光雷達產品

傳統大氣激光雷達的基本原理：納秒級脈沖激光器發射激光，使用同軸或平行軸的大口徑望遠鏡作為后向散射信號的收集裝置，采用光電倍增管PMT或雪崩二極管APD作為光信號探測器。為了具有足夠大的動態響應范圍，通常聯合使用高速模擬采樣和單光子計數技術。

傳統大氣激光雷達研究起步較早，國內外研究機構和大學都開展了米散射、拉曼和高光譜分辨率及大氣氣體等方面的研究，在硬件研發、軟件開發及理論算法分析等方面取得了顯著的階段性成果，實現了地基、車載、機載甚至星載應用。國內安徽藍盾、無錫中科光電及北京怡孚和融等公司均推出了商業化產品，如氣溶膠激光雷達、臭氧激光雷達和拉曼水汽激光雷達等。但是設備價格較貴、體積較大、設計和維護成本居高不下，限制了大氣環境監測領域的應用和推廣。

三、沙氏大氣激光雷達產品

沙氏大氣激光雷達基于沙氏成像原理：成像系統，物面與透鏡不平行時，只要像面、物面和透鏡各自所在的平面相交于同一條直線，則成像清晰，且理論上景深無窮遠。采用大口徑望遠鏡，則具有大范圍清晰成像的理論優勢。

沙氏大氣激光雷達采用連續輸出激光器作為光源，以傾斜的CCD/CMOS面陣探測大氣后向散射信號，依據沙氏成像原理，以角度分辨的方式獲取距離分辨。沙氏大氣激光雷達技術研究起步較遲，瑞典隆德大學和大連理工大學等研究人員開展了大氣氣溶膠和氣體探測的技術和應用研究。大氣氣溶膠探測方面，論證了沙氏大氣激光雷達開展大氣氣溶膠消光系數的可行性，分析了性能指標，初步建立數據反演方法。大氣氣體探測方面，論證了O2分布測量的可行性，實現了NO2濃度分布探測。商業化產品現有天測（北京）遙感科技有限公司基于沙氏成像原理的“大氣顆粒物層析儀”。

四、結語

傳統大氣激光雷達和沙氏大氣激光雷達作為兩種不同的大氣激光雷達實現技術路線，實際應用中可依據需求進行科學選擇。比如需要與現有大氣監測網絡激光雷達組網和數據比對分析，優選傳統大氣激光雷達。而低成本、低維護及近距離高分辨率則會考慮沙氏大氣激光雷達。

參考文獻：

[1]周秀驥.大氣遙感的現狀與前景[J].氣象，1979，5（3）：1-4.

[2]楊洋，喬立杰，張小富，等.日本大氣激光雷達技術的進展[J].激光與紅外，1999，29（3）：139-141.

[3]梅亮.沙氏大氣激光雷達技術及其研究進展[J].激光與光電子學進展，2018，55（9）：38-51.