激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象研究中的應(yīng)用

張青松

摘? 要：隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，我國(guó)在大氣環(huán)境和氣象監(jiān)測(cè)中也開始摒棄傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，融入新興的激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)，激光雷達(dá)作為一種光學(xué)遙感設(shè)備，保留了傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，融合了新技術(shù)的理念，在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象研究中具有重要作用。基于此，該文首先從激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)及其分類入手，旨在對(duì)激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象研究中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)? 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)? 氣象研究? 應(yīng)用

將激光雷達(dá)應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與氣象研究具有重要意義，與傳統(tǒng)微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)具有抗干擾能力強(qiáng)、單色性好、方向性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，非常適用于對(duì)大氣、海洋等地區(qū)的高精度遙感探測(cè)。目前，我國(guó)激光雷達(dá)技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象研究中的應(yīng)用效果顯著。

1? 激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)及其分類

從整體上看，激光雷達(dá)系統(tǒng)主要由激光發(fā)射、回波信號(hào)接收和采集以及控制幾部分組成，激光探測(cè)是指通過激光束與大氣中的物質(zhì)進(jìn)行相互作用，從而形成的回波信號(hào)。激光雷達(dá)的工作原理是激光雷達(dá)通過發(fā)射激光束，使之與大氣層中的物質(zhì)產(chǎn)生相互作用，并將相互作用的后向散射信號(hào)中所傳遞的信息加以分析處理，便可得到所需的大氣物理要素。

根據(jù)工作物質(zhì)的不同，可以將激光雷達(dá)進(jìn)行不同的分類，大體上可以劃分為以下幾種：氣體、半導(dǎo)體、固體激光雷達(dá)，其中CO激光雷達(dá)是較為常見的氣體激光雷達(dá)，其主要工作在大氣紅外波段，對(duì)大氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)具有重要意義。半導(dǎo)體激光雷達(dá)具有價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)，極大地節(jié)省了大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的成本。而對(duì)于大氣中氣溶膠、霧以及大氣中有害的氣體成分的監(jiān)測(cè)主要是固體激光雷達(dá)。

根據(jù)探測(cè)機(jī)制的不同，又將激光雷達(dá)分為不同的類型，常見的是瑞利—拉曼—米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)，該發(fā)射系統(tǒng)采用532nm波長(zhǎng)的激光，通過全反鏡垂直向上射入大氣，激光雷達(dá)回波信號(hào)中包含有532nm高層的瑞利散射與522nm低層的米散射信號(hào)，以及607nm的拉曼散射信號(hào)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

總之，隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，我國(guó)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與氣象研究的設(shè)備進(jìn)行了更替，在繼承和發(fā)揚(yáng)傳統(tǒng)微波雷達(dá)技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合新技術(shù)理念，設(shè)計(jì)出激光雷達(dá)，并將其應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與氣象研究中，取得了一定成效。

2? 激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象研究中的應(yīng)用和發(fā)展

2.1 對(duì)氣溶膠以及邊界層的探測(cè)

氣溶膠對(duì)地球的影響主要體現(xiàn)在其吸收和散射太陽(yáng)輻射，氣溶膠對(duì)全球氣候帶來了嚴(yán)重的影響。邊界層指的是大氣邊界層，如何方便、有效、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)邊界層的變化，還需借助激光雷達(dá)技術(shù)，通過激光束使之與邊界層中的物質(zhì)產(chǎn)生相互影響，進(jìn)而形成一種回波信號(hào)，對(duì)空氣污染物的擴(kuò)散、傳輸模式以及污染物預(yù)報(bào)模式等都具有十分重要的意義。

氣溶膠在全球氣候的影響因素中扮演著極為重要的角色，但隨著近幾年全球氣象問題的愈加突出，各國(guó)開始利用激光雷達(dá)技術(shù)，紛紛探測(cè)大氣中氣溶膠狀態(tài)，對(duì)黃沙、霧霾、沙塵等方面均進(jìn)行了較為成功的探索，借助激光雷達(dá)技術(shù)可以較為便捷地收到反射信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠和邊界層的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在中國(guó)，很多地區(qū)開展了專門的氣溶膠和邊界層監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)效機(jī)制，建立了雙波長(zhǎng)篇振雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)。激光雷達(dá)對(duì)氣溶膠、邊界層的測(cè)量無論是在高度上，還是垂直跨度上都具有全面的優(yōu)勢(shì)，是傳統(tǒng)微波雷達(dá)技術(shù)無法比擬的。

2.2 對(duì)溫度的探測(cè)

溫度作為氣象中最重要的一個(gè)參考量，是天氣播報(bào)中不可缺少的氣象因素。對(duì)大氣溫度的監(jiān)測(cè)同樣也需要借助激光雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)，研究顯示，目前利用激光雷達(dá)進(jìn)行溫度探測(cè)的多數(shù)是利用瑞利散射，該散射通過全反鏡垂直向上射入大氣，當(dāng)然瑞利散射激光雷達(dá)不適用于低空測(cè)量，因?yàn)樵?0km以下的高度會(huì)有大量的氣溶膠存在，很大程度上干擾了瑞利散射的測(cè)量。除瑞利散射激光雷達(dá)外，拉曼激光雷達(dá)也可以用于溫度的探測(cè)，拉曼激光雷達(dá)的類型有兩種：一種是振動(dòng)性拉曼激光雷達(dá)，另一種是轉(zhuǎn)動(dòng)型拉曼激光雷達(dá)，以上兩種拉曼激光雷達(dá)都可用于對(duì)氣象溫度的監(jiān)測(cè)。

2.3 對(duì)大氣能見度的監(jiān)測(cè)

目前常見的能見度探測(cè)系統(tǒng)主要是激光雷達(dá)，與其他探測(cè)技術(shù)相比，激光雷達(dá)具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，激光雷達(dá)作為一種新型的大氣探測(cè)技術(shù)，可以通過激光束與大氣的相互作用產(chǎn)生的光輻射信號(hào)來確定大氣能見度，從而更加精確地判定大氣的能見度。目前，激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)開始逐步廣泛應(yīng)用于大氣能見度監(jiān)測(cè)過程中，以為人們的出行提供便利。

2.4 對(duì)風(fēng)的探測(cè)

傳統(tǒng)意義上對(duì)風(fēng)的探測(cè)主要指風(fēng)度的大小，不能更加精細(xì)化的判定風(fēng)力值和風(fēng)向。風(fēng)力作為氣象研究的組成部分，隨著激光雷達(dá)的問世，風(fēng)力探測(cè)也隨之迎來了新技術(shù)，風(fēng)力的大小同樣對(duì)人們的出行安全帶來了極大的影響，飛機(jī)、輪船等交通工具受風(fēng)的影響較大，因此，加強(qiáng)對(duì)機(jī)場(chǎng)氣流、輪船航行路線等地的風(fēng)力監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，在傳統(tǒng)的風(fēng)力監(jiān)測(cè)中，深受技術(shù)限制，在監(jiān)測(cè)過程中極易受空氣湍流的影響，從而影響風(fēng)力監(jiān)測(cè)，隨著新時(shí)期新的激光雷達(dá)技術(shù)的問世，很大程度上克服了技術(shù)不足的問題，能夠精確地測(cè)出風(fēng)力、風(fēng)向，對(duì)人們出行帶來了極大的便利。

綜上，為了滿足大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象研究，國(guó)際激光雷達(dá)研究領(lǐng)域近幾年來針對(duì)大氣環(huán)境和氣象狀況，做出了較多分析研究，并在全球范圍內(nèi)大面積建立地基雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)，主要用于對(duì)全球大氣環(huán)境及氣象狀況進(jìn)行評(píng)估，對(duì)突發(fā)事件（如臺(tái)風(fēng)、地震、洪水災(zāi)害等）進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控，及時(shí)傳達(dá)信息，將突發(fā)事件預(yù)警以最快的傳播速度傳遞給人們，幫助人們抓住生命黃金時(shí)期，能夠在緊張有效的范圍內(nèi)開啟生命防護(hù)模式。

3? 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，激光雷達(dá)也在不斷發(fā)展完善的過程中，不斷朝著精細(xì)化、準(zhǔn)確化的方向發(fā)展，筆者認(rèn)為，在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與氣象研究的領(lǐng)域中，激光雷達(dá)的作用不容小覷，并且這一技術(shù)一定會(huì)得到廣泛應(yīng)用，得到大范圍推廣，對(duì)推動(dòng)全球大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義。

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