鄒俊斌 周志鵬 穆冠君 高宇彤 王志成

摘 要：激光雷達(dá)具備能量密度高、波束定向性強(qiáng)以及探測(cè)波長(zhǎng)短等優(yōu)勢(shì)，在大氣探測(cè)過(guò)程中可以發(fā)揮出較強(qiáng)的探測(cè)靈敏度、較高的空間分辨率高等優(yōu)勢(shì)。本文就激光雷達(dá)在大氣探測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行深入地探討。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)；大氣探測(cè)；應(yīng)用

一、引言

激光雷達(dá)是一類主動(dòng)式的現(xiàn)代化光學(xué)遙感技術(shù)，是現(xiàn)代化激光技術(shù)和傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)充分融合的產(chǎn)物。激光具備高相干性、高亮度性、高單色性以及高方向性等大量特征，所以激光雷達(dá)便具備著下述獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)：較強(qiáng)的抗干擾能力、較高的速度分辨率以及較廣的測(cè)速范疇等等。并且激光雷達(dá)的重量與體積與微波雷達(dá)相比而言均比較小，便于運(yùn)用。

二、激光雷達(dá)概述

激光雷達(dá)所指的是一種以發(fā)射激光束檢測(cè)具體目標(biāo)所處的位置以及速度等特征值的雷達(dá)體系。由其工作機(jī)理層面而言，和微波雷達(dá)沒(méi)有本質(zhì)性的差異：向目標(biāo)傳遞出探測(cè)信號(hào)，接著將所收到的由目標(biāo)所反饋的信號(hào)和發(fā)射信號(hào)實(shí)施對(duì)比，進(jìn)行相應(yīng)的處理以后，便能夠取得目標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，比如：目標(biāo)高度、距離、速度、方位以及姿態(tài)等有關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而針對(duì)導(dǎo)彈、飛機(jī)等目標(biāo)實(shí)施探測(cè)、辨別以及追蹤等。

三、大氣激光雷達(dá)探測(cè)機(jī)理分析

大氣探測(cè)激光雷達(dá)的發(fā)射源大多是脈沖激光器，在具體運(yùn)用環(huán)節(jié)垂直向大氣當(dāng)中發(fā)射出一束激光束。此激光束具備著較窄的脈沖寬度、較強(qiáng)的指向性以及高能量等特征。接著經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡采集大氣里面激光束和物質(zhì)所形成的后向散射信號(hào)，需要去除其中所包含的雜散光信號(hào)，針對(duì)散射光實(shí)施相應(yīng)的光譜分析，再通過(guò)信號(hào)的光電轉(zhuǎn)變以后以取得最初的電信號(hào)。電信號(hào)往往是由數(shù)據(jù)采集卡又或是計(jì)算機(jī)實(shí)施相關(guān)數(shù)據(jù)的收集，針對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析以及數(shù)據(jù)反推便能夠獲得所需要的大氣信息又或是數(shù)據(jù)。

四、激光雷達(dá)在大氣探測(cè)中的應(yīng)用

（1）大氣氣體成分檢測(cè)

激光雷達(dá)能夠高效地檢測(cè)低層大氣的污染狀況，為空氣當(dāng)中的二氧化碳、臭氧以及二氧化氮等相關(guān)氣體的光遙測(cè)提供了非常有效的測(cè)量方式。氣體濃度、組分等數(shù)據(jù)的取得有利于針對(duì)大氣里面的污染物進(jìn)行深入地分析，以判定是否遭受了破壞與污染。

運(yùn)用差分吸收激光雷達(dá)能夠檢測(cè)到大氣當(dāng)中二氧化碳的具體濃度。同時(shí)采取拉曼激光雷達(dá)針對(duì)低對(duì)流層中的二氧化碳進(jìn)行分析，可以大致呈現(xiàn)出低對(duì)流層中二氧化碳的布局輪廓線，此便代表激光雷達(dá)具備極強(qiáng)的探測(cè)精準(zhǔn)性與靈敏性。

（2）氣溶膠、塵、煙探測(cè)

運(yùn)用后向散射激光雷達(dá)能夠針對(duì)氣溶膠的立體濃度布局進(jìn)行探測(cè)，經(jīng)過(guò)針對(duì)不一樣位置、不一樣仰角的氣溶膠實(shí)施檢測(cè)，能夠獲得氣溶膠消光指數(shù)的三維立體布局。除此之外，運(yùn)用大氣里面分子的拉曼與瑞利散射回波，經(jīng)過(guò)分析信號(hào)不一樣幅度的衰退，能夠達(dá)到對(duì)于低空氣溶膠的檢測(cè)。還能夠針對(duì)大氣回波信號(hào)實(shí)施拼湊與反推，以取得大氣的氣溶膠光學(xué)特征，同時(shí)檢驗(yàn)其探測(cè)信號(hào)的真實(shí)性。經(jīng)過(guò)顆粒物監(jiān)測(cè)裝置、偏振-米散射激光雷達(dá)所取得的檢測(cè)信息，融合風(fēng)廓線等數(shù)據(jù)材料，運(yùn)用氣團(tuán)后向軌跡可以識(shí)別出城市浮塵天氣里面沙塵氣溶膠的具體來(lái)源以及傳遞途徑，驗(yàn)證了激光雷達(dá)探測(cè)方式的可靠性。除此之外，運(yùn)用紅寶石激光雷達(dá)還可以監(jiān)測(cè)到空氣當(dāng)中煙羽的提升高度，同時(shí)在相應(yīng)的大氣平穩(wěn)程度、煙氣排放數(shù)據(jù)以及地形環(huán)境下，還能夠獲得幾類不同煙氣提升高度的相似公式。

（3）能見度探測(cè)

能見度的高低不但體現(xiàn)出了某個(gè)區(qū)域的大氣環(huán)境品質(zhì)，同時(shí)和人們的日常生活有著極為密切的聯(lián)系，尤其是對(duì)于陸、海、空交通的影響更加顯著。能見度相對(duì)較低的環(huán)境會(huì)給人們的生活帶來(lái)非常多的不便以及各式各樣的危害，往往是導(dǎo)致交通與飛機(jī)起降等事故的關(guān)鍵原因之一。所以，分析與把握大氣能見度的改變特點(diǎn)以及其重點(diǎn)影響要素，是達(dá)到大氣能見度精準(zhǔn)預(yù)報(bào)的重要基礎(chǔ)，并且還能夠即時(shí)的反饋出該區(qū)域的大氣環(huán)境品質(zhì)的改變。和其它探測(cè)手段對(duì)比而言，激光雷達(dá)是一種全新的大氣探測(cè)工具，能夠經(jīng)過(guò)針對(duì)激光和大氣互相作用的光輻射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)以確定大氣具體的能見度數(shù)值，更為精準(zhǔn)地呈現(xiàn)出大氣對(duì)于傳遞其中的激光的衰退作用，進(jìn)而發(fā)展成目前大氣能見度探測(cè)的關(guān)鍵渠道。能見度主要有斜程能見度與水平能見度之分。其間，水平能見度在水平大氣相對(duì)均衡環(huán)境下和消光指數(shù)的倒數(shù)成正相關(guān)性，運(yùn)用此機(jī)理便能夠經(jīng)過(guò)激光雷達(dá)以明確相應(yīng)的水平能見度。

（4）風(fēng)探測(cè)

風(fēng)速是氣候?qū)W領(lǐng)域最為關(guān)鍵的參數(shù)之一，大氣風(fēng)速的監(jiān)測(cè)對(duì)于全球氣候不斷變化的深入分析，增強(qiáng)數(shù)值天氣預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)程度，探測(cè)機(jī)場(chǎng)氣流、改善輪船、飛機(jī)行駛路線有著非常重要的意義，部分區(qū)域風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn)在航天飛機(jī)的起降、火箭發(fā)射以及軍事等相關(guān)層面均具備極為重要的價(jià)值。運(yùn)用激光多普勒雷達(dá)針對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)有著其它手段所無(wú)法相比的優(yōu)勢(shì)。多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的檢測(cè)形式主要有以下兩種：非相干（直接）探測(cè)與相干（外差）探測(cè)模式。在1966年第一次運(yùn)用相干激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)之后，通過(guò)50多年的不斷發(fā)展，地基相干系統(tǒng)已較為完善，然而因?yàn)槠鋵?duì)于發(fā)射激光的相干性有著過(guò)高的需求，對(duì)于接受、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)品質(zhì)有著苛刻的要求，技術(shù)難以達(dá)到，極易受到空氣湍流等因素所造成的影響，往往僅可運(yùn)用至邊緣層小風(fēng)速的探測(cè)。在最近20年時(shí)間內(nèi)，非相干檢測(cè)技術(shù)備受人們的關(guān)注。

（5）大氣濕度、溫度探測(cè)

經(jīng)過(guò)針對(duì)激光雷達(dá)回波信號(hào)的科學(xué)有效提取以及完全細(xì)致的分光，運(yùn)用多數(shù)據(jù)同步反推計(jì)算方法，能夠獲得第一時(shí)間內(nèi)的大氣相對(duì)濕度的垂直性改變。經(jīng)過(guò)激光雷達(dá)還能夠達(dá)到對(duì)于高空溫度的監(jiān)測(cè)，同時(shí)融合數(shù)據(jù)的反推計(jì)算方法，針對(duì)效仿數(shù)據(jù)實(shí)施對(duì)應(yīng)的計(jì)算分析，以取得加強(qiáng)平流層大氣溫度反推精準(zhǔn)程度的計(jì)算方法。并且，運(yùn)用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)能夠達(dá)到對(duì)于大氣邊緣層溫度實(shí)施全過(guò)程高精準(zhǔn)程度的監(jiān)測(cè)，以取得大氣溫度的布局曲線，同時(shí)在散射比小于2.5的時(shí)候，探測(cè)的精準(zhǔn)程度能夠達(dá)到1 K。除此之外，瑞利-拉曼激光雷達(dá)經(jīng)過(guò)消除背景噪音與加強(qiáng)小波算法的信噪比，能夠在較大程度上增強(qiáng)大氣溫度廓線檢測(cè)的精準(zhǔn)性，和大氣模式參數(shù)相比較，反映出了極強(qiáng)的一致性。所以，瑞利-拉曼激光雷達(dá)探測(cè)所獲得的溫度參數(shù)能夠運(yùn)用至氣象學(xué)分析環(huán)節(jié)。

總而言之，伴隨全球各個(gè)國(guó)家激光雷達(dá)材料長(zhǎng)時(shí)間的累積，其必然會(huì)在天氣預(yù)報(bào)方式和氣候模式的材料同化系統(tǒng)當(dāng)中起到著更為重要的作用，進(jìn)而為氣候與氣候變化的分析作出更大的貢獻(xiàn)。

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