淺談激光雷達技術在大氣環境監測中的應用

摘要：本文將從當前大氣環境監測的概況出發，闡述激光雷達技術的價值和作用，對大氣環境監測運用激光雷達技術的主要途徑進行分析與探究，希望為相關人員提供一些幫助和建議，更好地開展大氣環境監測工作。

關鍵詞：環境監測;大氣環境;激光雷達

引言：激光雷達技術屬于一種新興的監測技術，監測人員使用激光雷達的設備能夠對大氣能見度、密度以及氣溶膠等方面展開全方位、多角度的監測，具有可靠性、分辨率高的特點，有效反映出當地大氣質量狀況，為環境質量改善提供參考和借鑒。從這個角度來看，應積極研究大氣環境監測運用激光雷達技術的途徑。

一、當前大氣環境監測的概況

隨著國內經濟發展速度的加快和人民群眾綜合生活水平的提升，人們有了更高的環境要求。然而，大量的人類活動不可避免地產生了各類城市環境污染現象，降低了大氣能見度，危害著人民群眾的身體健康，并在一定程度上增加了社會的不安定因素，帶來了較大的負面影響。空氣環境檢測是環境監測工作不可缺少的一部分，借助全面的數據分析、數據監測，工作人員能夠對空氣環境的情況有一個準確的把握，將全面的數據支持提供給環境質量的改善工作。當前的大氣環境監測工作通常借助自動監測儀器來分析大氣的氣態污染物、顆粒物含量，而立體性的大氣監測相對較少。

二、大氣環境監測運用激光雷達技術的主要途徑

（一）監測動力學參數

根據激光雷達技術，大氣環境的動力學參數主要有湍流、重力波、風、溫度等。在地面高度100千米的高度，大氣的金屬蒸汽較為豐富，將金屬原子當成反饋物質來研究大氣動力學能夠大大提升大氣環境監測工作的效率。監測高層大氣的重力波、風、溫度時，監測人員應積極運用熒光共振激光雷達設備，借助該設備對金屬原子進行探測，比如Na熒光共振雷達、Li熒光共振雷達等。探測大氣溫度時，監測人員應運用激光雷達技術中的瑞利散射技術，該技術能夠對大氣瑞利散射進行監測，通過氣體狀態方程對大氣環境溫度進行反演，通常可監測高度為30千米至80千米。借助部分氣體分子的拉曼散射函數，測量并得出其拉曼散射強度，同時獲取大氣環境具體溫度。

受觀察者運動、波源運動所影響，大氣環境監測工作容易遇到波源頻率、觀測頻率不一致的問題，該現象又叫作多普勒效應，基于此效應原理的激光雷達叫作多普勒激光雷達設備。由于多普勒的移動方向、頻移大小會受到激光束方向、大氣分子運動方向二者的夾角所影響，因此監測人員能夠借助散射光的監測工作獲得多普勒移動量，進而計算出大氣風速。除此之外，監測人員在監測風速時能夠分析風速分量、計算能譜密度。

（二）監測大氣組分

大氣分子和激光間的彼此作用會產生Raman散射（以下簡稱R散射），R散射最主要的特征便是入射光、散射光二者波長不一致，形成短波方向、長波方向一定程度的移動，并且散射分子類型、波長移動距離間存在直接關系。R散射的波長移動能夠對應散射分子能量差，且這種分子差是固有的分子特點。由此不難得出，通過散射波長移動的距離便能將散射分子類型確定下來，從而使用R散射來監測大氣組分。

R散射激光雷達設備能夠對高濃度大氣組分進行探測，但低濃度大氣組分也是大氣環境監測工作的重要監測內容。根據大氣、激光的作用機制，其吸收的截面作用范圍相對較大。由于吸收屬于共振的反映過程，能夠對大氣組分加以分辨，因此監測人員能夠借助吸收機制開展大氣環境監測工作，對應的設備為吸收激光雷達設備。借助該設備，監測人員能夠對大氣里的二氧化硫、氮氧化物、臭氧、水汽等低濃度大氣組分進行監測，從而達到監測微量組分的目的。此種雷達能夠對雙波長激光進行發射，激光的兩個波長極為接近，二者分別處在分子強吸收線、弱吸收線上。正因二者接近，監測人員能夠認定氣溶膠會對二者產生同樣的消光與散射，這樣一來，只需獲得大氣分子吸收參數便能根據其后向散射信號回波對大氣分子濃度進行探測。伴隨該技術的不斷發展，逐漸演變出R散射吸收技術與紅外波段差分技術等多個分支。

（三）監測氣溶膠

氣溶膠指的是大氣中分布的、由固體微粒或液體組成的、穩定性較高的懸浮體系。一般來說，大氣中的氣溶膠含量較低，但其對環境的影響卻極大。氣溶膠粒子在大氣中能夠對太陽輻射進行散射與吸收，使地氣系統內在的輻射穩定性受到干擾，出現直接氣候效應，具體影響程度由氣溶膠粒子形狀、分布、化學成分等方面決定。

運用激光雷達技術開展氣溶膠監測工作的過程中，需要采用Mie散射激光雷達設備。根據Mie散射的原理，離子散射尺寸接近于入射激光的實際波長，有時可能會大于入射激光的實際波長，入射光、散射光二者的波長基本一致。比起其它種類的光散射，Mie散射具有更大的散射截面，這使得其激光雷達設備能夠產生更強的回波信號，在激光脈沖向大氣方向射入后，大氣里的云粒子、氣溶膠粒子會將發射路徑消光、散射，而后向散射光的高度和當前高度氣溶膠粒子基本特性存在直接關系，后向散射光能夠被激光雷達準確探測，監測人員借助Mie散射公式算法變能對氣溶膠粒子消光參數進行反演。西方發達國家的激光雷達技術運用相對較早，其Mie散射激光雷達監測氣溶膠的各方面研究也更為深入，部分學者曾對比大渦模擬、Mie散射監測，部分學者則將Mie散射監測獲取的大氣參數當成傳輸輻射模式，構建了全面的大氣環境監測模型，得出氣溶膠含量過多會使大氣產生其后強迫效應，容易加劇全球氣候變化。

結語：總而言之，研究大氣環境監測運用激光雷達技術的主要途徑具有重要的意義。相關人員應對當前大氣環境監測的概況有一個全面了解，充分把握激光雷達技術的價值和作用，能夠將激光雷達技術運用于監測動力學參數、大氣組分以及氣溶膠等大氣環境監測工作中，從而提高大氣環境監測工作的質量和效率。

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作者簡介：孫亢;1990年 9月;男;漢族;陜西省安康市白河縣;本科;助理工程師;環境監測、環境工程。