激光雷達技術及其在大氣環境監測和氣象中的應用

賈秋洪 張軍

摘要 在經濟高速發展的當下，環境保護是人類不可避免的議題，作為環保體系之一的大氣環境監測，其重要性也逐漸為人們所知;結合了現代激光技術及傳統雷達技術的激光雷達技術以它獨特的技術優勢在大氣環境監測及氣象領域的應用中占領一席之地。本文闡述了激光雷達技術的概念、分類、特點等內容，簡述了大氣環境監測的意義和現狀，并綜合探討了激光雷達技術在大氣環境監測、氣象要素監測中的具體應用情況。

關鍵詞 激光雷達技術;大氣環境監測;氣象;應用

中圖分類號：X830 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2021）04–0061–03

通過大氣環境監測得出大氣環境污染數據，分析大氣污染源頭，制定有效的解決方案，可見大氣環境監測對提升大氣環境至整個環境保護有著不容小窺的作用，但是大氣環境監測工作中仍存在一些問題，致使監測工作不能很好地開展。激光技術是繼半導體、核能和計算機之后的又一偉大發明，激光雷達技術在此基礎上結合激光技術的優勢與雷達技術融合形成嶄新的技術，在各個領域都有廣泛的應用并得到認可，將激光雷達技術投入大氣環境監測工作中，無疑是大氣環境監測的重大突破。

1 激光雷達技術

1.1 激光雷達技術的概念及分類

激光雷達技術是通過現代激光技術和傳統雷達的結合而產生的一項以激光束為信息載體的技術，其主要是利用相位、偏振、振幅以及頻率搭載信息[1]。激光雷達技術是由激光發射、回波信號接收、信息采集和控制等結構組成，其工作方式有脈沖和連續波，分為直接探測和外差探測兩種方法。首先激光雷達使用激光器向空中發射激光脈沖，通過大氣的傳播投射到目標物體上，由激光接收機接收其投射到目標物體上的反射和散射信號，再由光電探測器將光信號變為電信號，最后電信號經過回波檢測處理分出回波信號與雜波干擾脈沖，并將回波信號放大發送至電子計算機，進而提取信息[2]。通過對這些信息的分析，可以準確探測大氣的物理要素。

根據激光雷達技術會用到的半導體、氣體及固體這些物質可將激光雷達分為半導體激光雷達、氣體激光雷達及固體激光雷達。它們各具優勢，半導體激光雷達對比另外兩種激光雷達節省成本，有明顯的經濟優勢;而氣體激光雷達因CO激光雷達的優勢，在大氣環境監測中應用最為廣泛;面對大氣中的霧、氣溶膠、有害氣體成分時，固體激光雷達技術監測效益最優。

1.2 激光雷達技術的特點

激光雷達的特點很多，因其發射激光束的頻率比傳統的雷達高出許多級別，這樣的頻率量變使得激光雷達技術形成質的變革;激光的高亮度性、高單色性、高相干性的特點，使激光雷達擁有較高的距離分辨率、速度分辨率和角分辨率，可以精準測距、精確測速和極速跟蹤，對于再細小的顆粒也能進行探測產生回波信號。

激光雷達技術比傳統雷達技術具有更多的優勢：（1）激光雷達的激光波束比較窄，能夠進行多次探測，可以采集大量數據;其激光波長比較短，探測頻率高，從而使激光雷達的測量精度達到極高的水平，綜上，激光雷達技術具有數據密度大、測量精度高的特點。（2）激光雷達是主動測量式雷達，不與光產生反應，所以它不被時間、太陽高度以及地物陰影所限制，可以全地形且無時無刻獲取數據，并且數據精度不被影響。（3）激光雷達的激光波束窄且傳播的方向性很好;激光雷達的口徑小，只定向接收區域的回波，所以激光雷達擁有強大的隱蔽性和抗干擾性。（4）激光雷達的發射器重量小、體積小，非常輕巧，這一優點使得它可以更加簡單高效地作業。

2 大氣環境監測的意義與現狀

實施大氣環境監測可以掌握大氣環境的動態，了解大氣環境的具體問題，根據這些問題制定出有針對性的方案解決大氣污染問題，以促進人類和自然和諧發展[3]。大氣環境監測主要對顆粒物、氮氧化物、硫化物、臭氧等進行監測。隨著汽車數量的增加、石油和煤炭等燃燒的加劇，顆粒物和SO2等也源源不斷的產生，顆粒物的成分相對復雜，除了自身具有很大的危害性，顆粒物與其他物質碰撞極易發生化學反應，增加對人類健康的威脅;此外，還應對SO2、氮氧化物進行重點監測，因為它們遇到雨水便會產生反應形成酸雨，嚴重危害人類健康和動植物的生命。準確、及時、高效地進行大氣環境監測，對提高環境、大氣污染治理水平至關重要。

雖然大氣環境監測的重要性得到普遍認可，但監測技術的落后仍然是主要問題之一，難以實現對大氣的連續監測，從而無法控制數據的準確性。激光雷達技術的出現及應用在一定程度上能有效解決這一難題。

3 激光雷達技術在大氣環境和氣象要素監測中的應用

3.1 大氣成分的監測

3.1.1 對氣溶膠及邊界層的探測 固體或者液體懸浮于氣體中并分散在大氣中形成膠體體系稱作氣溶膠，其在大氣中的含量不高，對大氣卻非常重要[4]。氣溶膠能夠吸收和散射太陽輻射，直接影響著大氣系統的輻射平衡，加上氣溶膠能夠改變云的光學特性、云的壽命和云量，故而形成直接氣候效應和間接氣候效應，影響局部區域至全球的氣候。大氣邊界層即靠近地球表面、受地面摩擦阻力影響的大氣最底層區域。大氣邊界層內，風壓溫濕均有明顯的日變化，也正因為受地表及近地層影響較大，氣溶膠在該層濃度最高。因此準確有效地研究大氣邊界層的變化，對空氣污染物的擴散、傳輸模式及污染物預報模式都有十分重要的意義[5]。

激光雷達技術一般采用米散射探測技術來探測大氣中的氣溶膠，即米散射激光雷達，這種米散射的散射截面較高，所以它的回波信號很強。米散射激光是彈性散射，因為它不進行光能量的交換，當它的激光脈沖發射并進入大氣中傳播時，與氣溶膠相遇，氣溶膠會散射和消光其激光脈沖，激光雷達探測到其后向散射光后，再根據米散射激光雷達的方程可以計算出相對應氣溶膠的消光系數，進而實現對氣溶膠的實時監測。此外，激光雷達在邊界層高度、垂直跨度及邊界層內污染物和氣溶膠的監測上也具有較好的應用。目前，多個國家及地區已經建立雙波長偏振雷達觀測網，用來對大氣氣溶膠及邊界層進行連續觀測[6]。

3.1.2 對反應性氣體和溫室氣體的探測 大氣成分中的反應性氣體O3、CO、NO、NO2、SO2以及其他氮氧化物等，溫室氣體CO2、CH4等，會引起一系列大氣層環境變化如臭氧洞、溫室效應、酸雨等，乃至全球氣候變化，進而影響人類生存環境和經濟社會的發展。如今對大氣中這些氣體的監測已得到世界各國的重視，而激光雷達在這方面的優勢也日益凸顯。

當激光雷達發射的激光進入大氣相互產生反應，導致激光被氣體分子吸收和被大氣分子后向散射，吸收反應它是一個共振過程，能夠很好地分辨大氣的組成，這種工作機制的激光雷達稱作差分吸收激光雷達，差分吸收激光雷達系統能夠探測大氣中的微量組分，如大氣中的臭氧、水汽、二氧化硫和氮氧化物。其原理是發射兩種波長不同的光，一個調為待測對象的吸收線，另一個波長調至吸收線上吸收系數較小的位置，隨后以高重復頻率將它們的光交替發射到大氣中，探測出大氣分子的吸收系數，根據這兩個波長的后向散射回波信號，就可以分析出所測大氣分子的濃度分布[7]。如張寅超等[8]利用車載測污激光雷達對北京地區的O3、SO2 、NO2進行了三維空間掃描測量，首次給出了北京市近地面層大氣O3、SO2、NO2的激光雷達測量數據[9]。

3.2 氣象要素的監測

3.2.1 對風的探測 風是大氣科學研究、氣候研究最重要、最關鍵的參量之一，獲取準確的天氣預報信息、及時跟蹤預報惡劣天氣需要準確的、及時的風場數據。激光雷達向空氣發射激光，測量出激光通過云霧中的灰塵、鹽晶體、水滴、生物質燃燒氣溶膠等微粒后向散射的回波信號產生的多普勒頻移，分析得到的高時空分辨率、高精度的風場數據，采用這種效應的激光雷達稱作多普勒激光雷達，它是大氣風速測量的常用手段。風對大氣環境的影響巨大，風速過大會帶來颶風、黃沙，形成霧霾，還會攜帶大量水汽，帶來臺風、大雨甚至海嘯。應用激光雷達技術能對風向、風速等要素進行全方位實時探測，提高天氣預報的準確度，對大氣污染防治、氣象災害預測有著積極作用。

3.2.2 對溫度的探測 在對大氣物理、海洋環境、天氣分析和預報的研究中，不可忽視的一項便是溫度的探測，溫度對各氣象研究起著重要作用，是天氣播報中不可缺少的氣象因素。將激光雷達用于探測溫度，大大提高了溫度探測的精準度。常使用瑞利散射激光雷達、拉曼達激光雷達對大氣溫度進行探測。瑞利散射激光探測的特點是時空分辨率高、探測靈敏度高，并且沒有探測盲區，但是因為瑞利散射激光是通過全反鏡垂直的向上射入大氣之中來測量獲取溫度信息，所有它只適合高空測量，低于30 km的大氣對瑞利散射的干擾較多，拉曼激光雷達一般采用振動形式和轉動形式對溫度進行探測，且都能精準地測量氣象溫度。

3.2.3 對大氣能見度的探測 大氣能見度是反映大氣透明度的重要指標，它能直接體現大氣環境質量的好壞，與人類日?；顒佑兄芮械穆撓?，大氣能見度低，會給人們帶來許多不便，如對交通的影響，尤其是海陸空交通，極易被大氣能見度的好壞所制約，能見度較低時，容易引發較大的、嚴重的事故[10]。為保障交通安全，大氣能見度預測預報的準確度尤為重要，常規的自動氣象站只能觀測某一特定范圍內的能見度，局限性較大，而激光雷達技術通過激光器發射脈沖式激光監測信號能準確地反映出大氣的透過率和傳輸信號的衰減情況，從而監測出大氣能見度，使用了光電倍增管的激光雷達檢測靈敏度更高，對大氣能見度的距離、探測角度和速度分辨率均大幅提升，可以更為準確地探測大氣能見度。

4 激光雷達用于溫度探測的實例

以純轉動拉曼單支普激光雷達在不同天氣狀況下對武漢（30.5°N，114.4°E）上空大氣溫度探測得出溫度反演結果為例[11]，分析激光雷達實際應用的意義。

圖1a中紅線為2016年12月16日19：30～20：30激光雷達累積的溫度剖面，黑點線為同一時間武漢氣象站點用無線電探空儀探測的溫度剖面圖。圖1b中黑線為一小時累積的溫度剖面的統計不確定性，紅線為激光雷達和無線電探空儀兩者溫度結果的絕對偏差。統計不確定性在7.7 km以下為1 K，絕對偏差在6 km以下為1 K。

由圖1a可知，當高度在1.0～6.5 km高度范圍以內，激光雷達反演得到的溫度剖面吻合得非常好，絕對偏差<1 K;圖1b可知，當高度在6.5～10 km，溫度的偏差值變大為1～3.4 K。當高度在7.7 km以下，溫度的不確定度<1 K，高度在4.2 km以下，溫度的不確定度為0.5 K。

圖2a中的紅線為2016年12月17日07：30～08：29激光雷達累積的溫度剖面，黑點線為同一時間武漢氣象站點用無線電探空儀探測的溫度剖面圖。圖2b中黑線為一小時累積的溫度剖面的統計不確定性，紅線為激光雷達和無線電探空儀兩者溫度結果的絕對偏差。統計不確定性在3.9 km以下為1 K，絕對偏差在3.7 km以下為1 K。

圖2為白天觀測所得的結果。從圖中可知激光雷達和無線電探空儀探測的溫度剖面曲線大致吻合，當高度在3.9 km以下，溫度的不確定度和偏差均<1 K，而在1.2 km處有1.6 K的偏差，可能是由于雷達站點和無線電探空儀距離23 km，兩者距離過遠的緣故。

圖3為2018年1月11日，轉動拉曼單支普激光雷達通過觀測得來的一整天溫度等值線圖。1個小時的時間平滑窗，其時間和高度分辨率分別為1 min和30 m。白天觀測結果在14：00左右達到2.6 km。

由圖3可知，2018年1月11日整天的邊界層演化趨勢，可見轉動拉曼單支普激光雷達能夠在晴朗天氣候時全天工作。時間在14：00左右天光背景最強時，激光雷達的不確定度可達到2.6 km，絕對偏差低于1 K。

5 結語

如今大氣污染問題嚴重，世界各國對大氣污染問題的預防和治理都高度重視，對大氣環境監測工作的要求也日趨提高，激光雷達技術在大氣環境監測中起到了巨大作用，既提高了監測工作的效率又增加了監測工作的精度質量，在大氣環境及氣象監測中日益得到廣泛應用。目前南京在江寧、浦口、六合分別設激光雷達用以進行氣溶膠、水汽、臭氧的觀測，開展南京特大城市垂直廓線觀測試驗應用研究，實現雷達組網的應用，利用新型探測數據開展臭氧污染傳輸通道定量評估和大氣邊界層特征分析研究，將激光雷達技術最大化的應用在大氣環境監測工作中，并在工作中不斷革新激光雷達技術，提升應用水平，使得大氣環境監測能夠順利、高效進行。期待激光雷達技術未來能更好地服務于氣象災害防御、大氣污染防控、氣象預報等工作，為大氣環境的改善提供保障。

參考文獻

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責任編輯：黃艷飛