賈秋洪 張軍

摘要 在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的當(dāng)下，環(huán)境保護(hù)是人類不可避免的議題，作為環(huán)保體系之一的大氣環(huán)境監(jiān)測，其重要性也逐漸為人們所知;結(jié)合了現(xiàn)代激光技術(shù)及傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)的激光雷達(dá)技術(shù)以它獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢在大氣環(huán)境監(jiān)測及氣象領(lǐng)域的應(yīng)用中占領(lǐng)一席之地。本文闡述了激光雷達(dá)技術(shù)的概念、分類、特點(diǎn)等內(nèi)容，簡述了大氣環(huán)境監(jiān)測的意義和現(xiàn)狀，并綜合探討了激光雷達(dá)技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測、氣象要素監(jiān)測中的具體應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞 激光雷達(dá)技術(shù);大氣環(huán)境監(jiān)測;氣象;應(yīng)用

中圖分類號：X830 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號：2095–3305（2021）04–0061–03

通過大氣環(huán)境監(jiān)測得出大氣環(huán)境污染數(shù)據(jù)，分析大氣污染源頭，制定有效的解決方案，可見大氣環(huán)境監(jiān)測對提升大氣環(huán)境至整個(gè)環(huán)境保護(hù)有著不容小窺的作用，但是大氣環(huán)境監(jiān)測工作中仍存在一些問題，致使監(jiān)測工作不能很好地開展。激光技術(shù)是繼半導(dǎo)體、核能和計(jì)算機(jī)之后的又一偉大發(fā)明，激光雷達(dá)技術(shù)在此基礎(chǔ)上結(jié)合激光技術(shù)的優(yōu)勢與雷達(dá)技術(shù)融合形成嶄新的技術(shù)，在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用并得到認(rèn)可，將激光雷達(dá)技術(shù)投入大氣環(huán)境監(jiān)測工作中，無疑是大氣環(huán)境監(jiān)測的重大突破。

1 激光雷達(dá)技術(shù)

1.1 激光雷達(dá)技術(shù)的概念及分類

激光雷達(dá)技術(shù)是通過現(xiàn)代激光技術(shù)和傳統(tǒng)雷達(dá)的結(jié)合而產(chǎn)生的一項(xiàng)以激光束為信息載體的技術(shù)，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(dá)技術(shù)是由激光發(fā)射、回波信號接收、信息采集和控制等結(jié)構(gòu)組成，其工作方式有脈沖和連續(xù)波，分為直接探測和外差探測兩種方法。首先激光雷達(dá)使用激光器向空中發(fā)射激光脈沖，通過大氣的傳播投射到目標(biāo)物體上，由激光接收機(jī)接收其投射到目標(biāo)物體上的反射和散射信號，再由光電探測器將光信號變?yōu)殡娦盘?，最后電信號?jīng)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(fā)送至電子計(jì)算機(jī)，進(jìn)而提取信息[2]。通過對這些信息的分析，可以準(zhǔn)確探測大氣的物理要素。

根據(jù)激光雷達(dá)技術(shù)會(huì)用到的半導(dǎo)體、氣體及固體這些物質(zhì)可將激光雷達(dá)分為半導(dǎo)體激光雷達(dá)、氣體激光雷達(dá)及固體激光雷達(dá)。它們各具優(yōu)勢，半導(dǎo)體激光雷達(dá)對比另外兩種激光雷達(dá)節(jié)省成本，有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢;而氣體激光雷達(dá)因CO激光雷達(dá)的優(yōu)勢，在大氣環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用最為廣泛;面對大氣中的霧、氣溶膠、有害氣體成分時(shí)，固體激光雷達(dá)技術(shù)監(jiān)測效益最優(yōu)。

1.2 激光雷達(dá)技術(shù)的特點(diǎn)

激光雷達(dá)的特點(diǎn)很多，因其發(fā)射激光束的頻率比傳統(tǒng)的雷達(dá)高出許多級別，這樣的頻率量變使得激光雷達(dá)技術(shù)形成質(zhì)的變革;激光的高亮度性、高單色性、高相干性的特點(diǎn)，使激光雷達(dá)擁有較高的距離分辨率、速度分辨率和角分辨率，可以精準(zhǔn)測距、精確測速和極速跟蹤，對于再細(xì)小的顆粒也能進(jìn)行探測產(chǎn)生回波信號。

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

2 大氣環(huán)境監(jiān)測的意義與現(xiàn)狀

實(shí)施大氣環(huán)境監(jiān)測可以掌握大氣環(huán)境的動(dòng)態(tài)，了解大氣環(huán)境的具體問題，根據(jù)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(jìn)人類和自然和諧發(fā)展[3]。大氣環(huán)境監(jiān)測主要對顆粒物、氮氧化物、硫化物、臭氧等進(jìn)行監(jiān)測。隨著汽車數(shù)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(chǎn)生，顆粒物的成分相對復(fù)雜，除了自身具有很大的危害性，顆粒物與其他物質(zhì)碰撞極易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，增加對人類健康的威脅;此外，還應(yīng)對SO2、氮氧化物進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，因?yàn)樗鼈冇龅接晁銜?huì)產(chǎn)生反應(yīng)形成酸雨，嚴(yán)重危害人類健康和動(dòng)植物的生命。準(zhǔn)確、及時(shí)、高效地進(jìn)行大氣環(huán)境監(jiān)測，對提高環(huán)境、大氣污染治理水平至關(guān)重要。

雖然大氣環(huán)境監(jiān)測的重要性得到普遍認(rèn)可，但監(jiān)測技術(shù)的落后仍然是主要問題之一，難以實(shí)現(xiàn)對大氣的連續(xù)監(jiān)測，從而無法控制數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。激光雷達(dá)技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用在一定程度上能有效解決這一難題。

3 激光雷達(dá)技術(shù)在大氣環(huán)境和氣象要素監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 大氣成分的監(jiān)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(tǒng)的輻射平衡，加上氣溶膠能夠改變云的光學(xué)特性、云的壽命和云量，故而形成直接氣候效應(yīng)和間接氣候效應(yīng)，影響局部區(qū)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(qū)域。大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)壓溫濕均有明顯的日變化，也正因?yàn)槭艿乇砑敖貙佑绊戄^大，氣溶膠在該層濃度最高。因此準(zhǔn)確有效地研究大氣邊界層的變化，對空氣污染物的擴(kuò)散、傳輸模式及污染物預(yù)報(bào)模式都有十分重要的意義[5]。

激光雷達(dá)技術(shù)一般采用米散射探測技術(shù)來探測大氣中的氣溶膠，即米散射激光雷達(dá)，這種米散射的散射截面較高，所以它的回波信號很強(qiáng)。米散射激光是彈性散射，因?yàn)樗贿M(jìn)行光能量的交換，當(dāng)它的激光脈沖發(fā)射并進(jìn)入大氣中傳播時(shí)，與氣溶膠相遇，氣溶膠會(huì)散射和消光其激光脈沖，激光雷達(dá)探測到其后向散射光后，再根據(jù)米散射激光雷達(dá)的方程可以計(jì)算出相對應(yīng)氣溶膠的消光系數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對氣溶膠的實(shí)時(shí)監(jiān)測。此外，激光雷達(dá)在邊界層高度、垂直跨度及邊界層內(nèi)污染物和氣溶膠的監(jiān)測上也具有較好的應(yīng)用。目前，多個(gè)國家及地區(qū)已經(jīng)建立雙波長偏振雷達(dá)觀測網(wǎng)，用來對大氣氣溶膠及邊界層進(jìn)行連續(xù)觀測[6]。

3.1.2 對反應(yīng)性氣體和溫室氣體的探測 大氣成分中的反應(yīng)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(huì)引起一系列大氣層環(huán)境變化如臭氧洞、溫室效應(yīng)、酸雨等，乃至全球氣候變化，進(jìn)而影響人類生存環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。如今對大氣中這些氣體的監(jiān)測已得到世界各國的重視，而激光雷達(dá)在這方面的優(yōu)勢也日益凸顯。

當(dāng)激光雷達(dá)發(fā)射的激光進(jìn)入大氣相互產(chǎn)生反應(yīng)，導(dǎo)致激光被氣體分子吸收和被大氣分子后向散射，吸收反應(yīng)它是一個(gè)共振過程，能夠很好地分辨大氣的組成，這種工作機(jī)制的激光雷達(dá)稱作差分吸收激光雷達(dá)，差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)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(fā)射兩種波長不同的光，一個(gè)調(diào)為待測對象的吸收線，另一個(gè)波長調(diào)至吸收線上吸收系數(shù)較小的位置，隨后以高重復(fù)頻率將它們的光交替發(fā)射到大氣中，探測出大氣分子的吸收系數(shù)，根據(jù)這兩個(gè)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(dá)對北京地區(qū)的O3、SO2 、NO2進(jìn)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(dá)測量數(shù)據(jù)[9]。

3.2 氣象要素的監(jiān)測

3.2.1 對風(fēng)的探測 風(fēng)是大氣科學(xué)研究、氣候研究最重要、最關(guān)鍵的參量之一，獲取準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)信息、及時(shí)跟蹤預(yù)報(bào)惡劣天氣需要準(zhǔn)確的、及時(shí)的風(fēng)場數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)向空氣發(fā)射激光，測量出激光通過云霧中的灰塵、鹽晶體、水滴、生物質(zhì)燃燒氣溶膠等微粒后向散射的回波信號產(chǎn)生的多普勒頻移，分析得到的高時(shí)空分辨率、高精度的風(fēng)場數(shù)據(jù)，采用這種效應(yīng)的激光雷達(dá)稱作多普勒激光雷達(dá)，它是大氣風(fēng)速測量的常用手段。風(fēng)對大氣環(huán)境的影響巨大，風(fēng)速過大會(huì)帶來颶風(fēng)、黃沙，形成霧霾，還會(huì)攜帶大量水汽，帶來臺(tái)風(fēng)、大雨甚至海嘯。應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)能對風(fēng)向、風(fēng)速等要素進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)探測，提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，對大氣污染防治、氣象災(zāi)害預(yù)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(huán)境、天氣分析和預(yù)報(bào)的研究中，不可忽視的一項(xiàng)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(bào)中不可缺少的氣象因素。將激光雷達(dá)用于探測溫度，大大提高了溫度探測的精準(zhǔn)度。常使用瑞利散射激光雷達(dá)、拉曼達(dá)激光雷達(dá)對大氣溫度進(jìn)行探測。瑞利散射激光探測的特點(diǎn)是時(shí)空分辨率高、探測靈敏度高，并且沒有探測盲區(qū)，但是因?yàn)槿鹄⑸浼す馐峭ㄟ^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(dá)一般采用振動(dòng)形式和轉(zhuǎn)動(dòng)形式對溫度進(jìn)行探測，且都能精準(zhǔn)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(biāo)，它能直接體現(xiàn)大氣環(huán)境質(zhì)量的好壞，與人類日?；顒?dòng)有著密切的聯(lián)系，大氣能見度低，會(huì)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(shí)，容易引發(fā)較大的、嚴(yán)重的事故[10]。為保障交通安全，大氣能見度預(yù)測預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度尤為重要，常規(guī)的自動(dòng)氣象站只能觀測某一特定范圍內(nèi)的能見度，局限性較大，而激光雷達(dá)技術(shù)通過激光器發(fā)射脈沖式激光監(jiān)測信號能準(zhǔn)確地反映出大氣的透過率和傳輸信號的衰減情況，從而監(jiān)測出大氣能見度，使用了光電倍增管的激光雷達(dá)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(zhǔn)確地探測大氣能見度。

4 激光雷達(dá)用于溫度探測的實(shí)例

以純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼單支普激光雷達(dá)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(jié)果為例[11]，分析激光雷達(dá)實(shí)際應(yīng)用的意義。

圖1a中紅線為2016年12月16日19：30～20：30激光雷達(dá)累積的溫度剖面，黑點(diǎn)線為同一時(shí)間武漢氣象站點(diǎn)用無線電探空儀探測的溫度剖面圖。圖1b中黑線為一小時(shí)累積的溫度剖面的統(tǒng)計(jì)不確定性，紅線為激光雷達(dá)和無線電探空儀兩者溫度結(jié)果的絕對偏差。統(tǒng)計(jì)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(dāng)高度在1.0～6.5 km高度范圍以內(nèi)，激光雷達(dá)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(dāng)高度在6.5～10 km，溫度的偏差值變大為1～3.4 K。當(dāng)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(dá)累積的溫度剖面，黑點(diǎn)線為同一時(shí)間武漢氣象站點(diǎn)用無線電探空儀探測的溫度剖面圖。圖2b中黑線為一小時(shí)累積的溫度剖面的統(tǒng)計(jì)不確定性，紅線為激光雷達(dá)和無線電探空儀兩者溫度結(jié)果的絕對偏差。統(tǒng)計(jì)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(jié)果。從圖中可知激光雷達(dá)和無線電探空儀探測的溫度剖面曲線大致吻合，當(dāng)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(dá)站點(diǎn)和無線電探空儀距離23 km，兩者距離過遠(yuǎn)的緣故。

圖3為2018年1月11日，轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼單支普激光雷達(dá)通過觀測得來的一整天溫度等值線圖。1個(gè)小時(shí)的時(shí)間平滑窗，其時(shí)間和高度分辨率分別為1 min和30 m。白天觀測結(jié)果在14：00左右達(dá)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(zhuǎn)動(dòng)拉曼單支普激光雷達(dá)能夠在晴朗天氣候時(shí)全天工作。時(shí)間在14：00左右天光背景最強(qiáng)時(shí)，激光雷達(dá)的不確定度可達(dá)到2.6 km，絕對偏差低于1 K。

5 結(jié)語

如今大氣污染問題嚴(yán)重，世界各國對大氣污染問題的預(yù)防和治理都高度重視，對大氣環(huán)境監(jiān)測工作的要求也日趨提高，激光雷達(dá)技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中起到了巨大作用，既提高了監(jiān)測工作的效率又增加了監(jiān)測工作的精度質(zhì)量，在大氣環(huán)境及氣象監(jiān)測中日益得到廣泛應(yīng)用。目前南京在江寧、浦口、六合分別設(shè)激光雷達(dá)用以進(jìn)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(yàn)應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)組網(wǎng)的應(yīng)用，利用新型探測數(shù)據(jù)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(dá)技術(shù)最大化的應(yīng)用在大氣環(huán)境監(jiān)測工作中，并在工作中不斷革新激光雷達(dá)技術(shù)，提升應(yīng)用水平，使得大氣環(huán)境監(jiān)測能夠順利、高效進(jìn)行。期待激光雷達(dá)技術(shù)未來能更好地服務(wù)于氣象災(zāi)害防御、大氣污染防控、氣象預(yù)報(bào)等工作，為大氣環(huán)境的改善提供保障。

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責(zé)任編輯：黃艷飛