大氣探測激光雷達技術綜述

王宣峰 陳閩

摘 要：對于大氣探測激光雷達這一技術來說，其自身具有高時空分辨率這一優勢，且探測精度也非常高，廓線數據具有一定的連續性，這些優勢使其成為大氣探測工作中的重要工具，并且其在大氣探測工作中能夠發揮出重要作用。對激光雷達而言，其可以根據探測技術分為米散射、偏振、拉曼、差分吸收等多種類型的激光雷達，在大氣探測中，激光雷達能夠對氣溶膠、云、水汽以及溫度等多個方面的信息予以準確探測，進而為有關工作提供可靠的數據信息。

關鍵詞：大氣探測;激光雷達技術;綜述

引言：所謂的激光雷達，就是指集“光、機、電、理”為一體的一種主動光學廓線遙感工作，其自身是傳統雷達技術與現代激光技術二者相互結合的產物。激光光源本身就具有良好的單色性以及方向性，其自身的相干性以及亮度也都比較高，由于激光光源具備獨特的優勢，所以被廣泛應用到多個研究領域之中。而從激光問世之后，就有科學家提出大氣探測激光雷達系統的設想，并且在不斷的研究中，促使大氣探測激光雷達技術逐漸完善，且被應用于相關科學研究領域中，發揮出重要作用。

一、大氣探測激光雷達技術的概述

對于激光雷達系統而言，其自身包括激光發射單元、望遠鏡接收單元以及相應的控制單元。通過激光器發出脈沖，并射入到大氣之中，借此與大氣中存在的空氣分子、氣溶膠以及云等多種物質之間進行相互作用，當其后向散射光被望遠鏡接受之后，并且經過科學的探測與全面的采集，再進行算法反演就能夠獲得大氣的有關廓線信息。激光在與大氣相互作用的過程中，會因為不同大氣成分的不同作用機制，產生出不同類型的激光散射，比如，激光與大氣風的相互作用會出現相對運動，進而產生出多普勒散射。也因此，大氣探測激光雷達在技術層面上，可以分為米散射、偏振、拉曼以及多普勒等多種類型的激光雷達。另外，從運載平臺這一層面進行分析，也可以將其分為地基、車載、空載以及星載式等多種類型的激光雷達。激光雷達本身所具有的高時空分辨力及高信噪比這些優勢，能夠在脈沖激光技術的發展與光電探測器性能提升的過程中發揮出重要作用。而脈沖激光器本身的重復頻率、脈寬、以及采集卡的采樣頻率對激光雷達的高時空分辨的提升有著決定性作用[1]。

二、大氣探測激光雷達技術的分類

（一）米散射激光雷達的概述

對于這一類型的技術而言，其在大氣探測激光雷達中出現的最早，其自身主要在米散射與瑞利散射的理論基礎上形成的。不過，在近距離中，尤其是邊界層的范圍內，米散射在大氣散射中占據著主導地位，其中瑞利散射就比較弱，完全可以忽略。米散射激光雷達通常被應用于探測大氣中的氣溶膠粒子與云，反演之后則可以獲得其后向散射系數。另外，米散射機關雷達自身的回波信號無法將大氣的數據信息直接反映出來，還需要相關技術人員借助相應的系統進行反演計算，才能夠得出相關目標信息的物理參數。而求解米散射激光雷達的方程通常都會適應Klett法以及Fernald法。Klett這一方法在大氣氣溶膠濃度較高的區域極為適用，在使用這一方法求解方程時，則可以忽略大氣分子的后向散射系統與消光系數。其中Fernald法則站在Klett法的基礎上，對大氣分子與氣溶膠的貢獻進行分開考慮，也就是說，要對大氣分子的瑞利散射與氣溶膠粒子的米散射予以分別考慮，通過反演得出相應的數據信息[2]。

（二）偏振激光雷達的概述

當線偏振光與大氣中存在的沙塵或者是冰晶等非球形粒子相互作用時，其后向散射光不僅具有原來線偏振光所具備的平行分量，而且還有與其正交所產生的垂直偏振分量。可以說，偏振激光雷達就是通過對非球形粒子后向散射光的退偏振比的有效探測，對其自身的形態進行科學且深入的研究，通過不斷的實踐應用，可以得出，偏振激光雷達就是研究卷云與沙塵氣溶膠等多種非球形粒子的重要技術手段。另外，在米雷達的基礎上，相關科學研究人員在偏振激光雷達的接收系統中加入了檢偏棱鏡，在具體應用中，激光器發出的線偏振光，會經過望遠鏡、光光闌之后，由凸透鏡對其予以準直，而其中的濾光片則能夠對背景噪音進行有效的過濾，當線偏振光經過檢偏棱鏡之后，其光信號就會分成兩個通道，一個通道的方向與發射激光的偏振方向相平行，另一個通道的方向則是與偏振方向相垂直，在此之后，兩個通道的光信號分別經過探測與采集，最終進入到相應的計算機處理系統之中[3]。

（三）拉曼激光雷達的概述

當激光照射到大氣時，相關后向散射光除了具有彈性散射光信號之外，大氣中存在的氮氣、氧氣以及水汽等多種大氣分子也會產生振動與轉動現象，最終出現拉曼散射。拉曼散射自身產生的具體原理如下，激光與大氣中的相關分子會相互作用，在這一過程中，分子中的電子會對光子進行吸收，并因此達到高能級，而因為分子本身也會出現振動或轉動現象，所以電子躍遷不會再回到原來的能級，在這種情況下，產生出來的散射光頻率與入射激光的頻率則會出現不對等的情況，并且頻移量也與分子種類有著密切的關系，這樣，拉曼激光雷達就能夠對大氣溫度、水汽密度、氣溶膠以及污染物的濃度數據進行科學測量。對于不同氣體分子來說，其拉曼頻移也存在差異，且不受入射光的影響，只與散射體的能級結構相關，當發射的波長在355nm時，氮氣、氧氣以及二氧化碳的拉曼波長與拉曼頻移量之間就會呈現出正比例關系，含量越多，相關物質的拉曼回波信號就變得越強。相關研究人員可以借助這一特點，將大氣中含量相對穩定的氮氣的后向回波信號作為參考值，就能夠探測中相關氣體成分的濃度。

（四）多普勒激光雷達

對于多普勒激光雷達來說，其自身主要是利用光的多普勒效應進行工作的，也就是，通過對激光脈沖大氣后向散射回波信號的多普勒頻移這一數據信息，對空間內不同高度的風速以及風向分布進行有效反演。若是有風，大氣氣溶膠粒子與空氣分子則會出現相對于激光傳輸方向的運動情況，而且其相對的運動速度與方向、散射角也會不同，與此同時，回波信號與發射激光頻率相比，其多普勒頻移也會出現不同。

總結

通過上述分析，科學技術的高速發展，也促使激光雷達技術得以進步，而且這一技術的應用，也開始由夜晚探測逐漸向晝夜連續觀測發展，從人工干預漸漸發展成為無人值守的自動化探測，在其不斷發展的過程中，技術應用變得更加成熟，操作也變得更加簡單方便，更是提高其應用效果。

參考文獻：

[1]田曉敏， 劉東， 徐繼偉，等. 大氣探測激光雷達網絡和星載激光雷達技術綜述[J]. 大氣與環境光學學報， 2018， 013（006）：401-416.

[2]張振振，劉統玉，南鋼洋，趙揚，王啟武，巨陽. 激光雷達在大氣探測中的應用研究進展[J]. 山東科學，2015，28（06）：73-80+149.

[3]肖鈴，劉東，王英儉，王珍珠，謝晨波. 大氣探測激光雷達自動準直方法綜述[J]. 大氣與環境光學學報，2016，11（03）：161-171.