激光雷達在氣象和大氣環境監測中的應用分析

徐梅

摘? ? 要：將激光雷達應用在大氣環境監測中，能夠更準確地預測氣象變化。本篇文章就主要介紹了激光雷達的作用原理以及激光雷達在大氣環境監測中的具體應用。

關鍵詞：激光雷達;氣象;大氣環境監測

激光雷達技術是在二十世紀中后期出現的，到如今已經有40多年的發展歷史，盡管發展時間不長，但已經獲得了飛快的進步。激光雷達體積較小、抗干擾能力強，并且波的長短以及方向性都能夠滿足使用需求;除此之外，激光雷達的探測靈敏度和空間分辨率較高，目前已經廣泛應用在軍事和經濟等領域，另外在是在氣象監測中，激光雷達所發揮的作用是非常重大的，可以為氣象預測和方案的制定提供支持。

一、激光雷達的介紹

激光雷達主要是以激光器為主要輻射源，以光電探測器為接收器，而天線是光學望遠鏡;它主要是通過發射激光來對回撥的距離進行測定，并同時完成定位工作，利用位置、速度以及目標物體的反射特征來完成識別，整個流程可以很好的展現發射掃描和信號接受技術，是目前最常用且最有效的一種主動要干工具。激光雷達可以在發射激光束后在不同時間段內來接受回波的信號，而且在接收信號時可以通過激光的脈沖延時和光速來對大氣回撥到雷達探測的距離進行計算。激光雷達系統由以下幾個部分組成，分別是激光器、接收天線、發射器、探測器、信號處理和接受系統。

二、激光雷達在大氣環境監測中的應用

1.氣溶膠和云的監測。當氣體或固體微粒通過均勻分布的形態而存在于大氣層中時，就會形成一種比較穩定的懸浮體系，這一體系就是氣溶膠。雖然氣溶膠在大氣中的含量很低，但對大氣變化所產生的影響很大。這些小含量的氣溶膠也能對太陽輻射進行散射和吸收，從而直接影響氣候，這種影響和氣溶膠自身的粒子形狀、化學組成以及分布狀態等有關。另外，大氣的氣溶膠也可以形成云的凝結核來影響云的壽命，從而以間接形式影響氣候變化，這些影響主要是太陽的反射效應以及溫室效應等。這些不能準確預測的效應，能夠對區域內甚至全球的氣候造成嚴重影響，所以分析大氣氣溶膠的化學和物理特性以及時空分布特點具有非常重要的實際意義。

目前，米散射技術是能夠應用于大氣氣溶膠探測的技術，將米散射技術和激光雷達結合在一起，就形成了探測氣溶膠的激光雷達——米散射激光雷達。它最主要的特點是散射粒子的實際尺寸以及激光波長能夠處于相似或相近狀態，或是比入射激光波要長散射波光，甚至可以達到和入射光相同的水平，這樣可以在散射時少受光能交換，最終形成彈性散射。和其他光散射機制相比，米散射的散射面更高，所以在激光雷達的回波信號接收中能力就比較強。激光脈沖發射到大氣的過程中，存在于大氣層中的氣溶膠粒子或云粒子就會對這一路徑上帶有激光脈沖的粒子進行散射，與位置有關且高度不同的后散射光的實際強弱會和高度位置中大氣氣溶膠的粒子以及云粒子的散射程度有關;利用激光雷達可以探測到后向散射光，并且能夠利用米散射技術與雷達方程得出大氣氣溶膠粒子和云粒子在不同高度中的具體消耗系數。

2.大氣組分的探測。大氣分子和激光的非彈性作用這一過程就是Raman散射。這一散射中光波和入射光不同，因此成為這一散射的最主要特點。在散射的過程中，會有長波向短波方向移動的現象，與此同時，散射波的實際波長以及其向短波移動的距離會收到散射分子種類的影響，所以說Raman散射的波長和移動距離和散射分子的能量級別是有關聯的，分子的能級以及能量差會對分子的內部特征造成影響，從而出現分子特征不同的現象。因此，要想得知散射分子的具體種類，就必須要測量散射波長以及移動的距離，進而利用這一散射來對大氣的祖墳進行更準確的辨認監測。

Raman散射激光雷達目前只能探測大氣中濃度較高的組分，而類似臭氧、氮氧化物等這些濃度較低的大氣組分的探測對于大氣也有著重要意義。吸收相互作用在大氣與激光的相互作用中有著比較大的截面，另外，吸收也是一個與共振有關的過程，可以對大氣組分進行辨認，所以利用與吸收機制有關的激光雷達就可以對大氣中的臭氧、二氧化碳等濃度較低的組分進行探測，從而實現對大氣所有組分的探測。在Raman散射激光雷達中，發射出的激光有兩種波長，其中一個波長必須在與探測大氣組分有關的強吸收線上，另一個則要與弱吸收線相吻合，由于這兩個波長比較相近，所以在大氣溶膠所造成的散射和消光上他們是相同的，所以只需要對大氣分子的具體吸收系數進行探究，就可以根據兩個波長的數值來對大氣后向散射的回波信號進行判斷，從而根據測量得到大氣分子濃度的垂直廓線。在最近幾年的發展中，由于大氣氣溶膠對探測精度會產生影響，而且需要對更多大氣組分進行探測，所以還提出了有關紅外波段的探測技術。

3.大氣動力學參數的監測。利用激光雷達所探測出的與大氣動力學有關的參數主要有四種，分別是溫度、湍流、風力和重力波。在地面以上80-120千米的中間頂層以及電離層的底部，都具有很豐富的金屬蒸汽層，例如鈉、鉀、鈣、鐵等，將這些不同的金屬原子當作示蹤物來對大氣動力學進行研究是一種非常有效的方法。共振熒光的激光雷達探測能夠對高層大氣的溫度、重力和風等內容進行探測，對大氣溫度的探測需要借助瑞利散射技術，將這一技術和激光雷達相結合就是瑞吉散射激光雷達。它主要是通過對大氣分子的瑞利散射來進行利用，當大氣保持平靜平衡狀態時，利用理想狀態的氣體有關方程可以反向驗算出大氣的具體溫度。一般情況下，探測范圍是30-80千米的中層大氣，利用大氣中某種氣體分子的純轉動以及拉曼散射的強度可以得知與大氣溫度有關系的函數關系，從而利用這一氣體分子的實際轉動拉曼輻射強度數值計算出大氣在對流層中的實際溫度。

結論

總之，激光雷達是目前對大氣環境進行監測的主要手段，它的抗干擾能力很強，并且能夠靈活監測，能夠更準確的分辨時空。利用激光雷達來對大氣實行監測可以更高效地對氣象數據進行收集和分析，從而建立理論模型，以便更好地應對氣候變化，同時對于環境治理等有著非常重要的意義。

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