張玲玲 邱建文 王文江

（1.焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南工程學(xué)院，河南 鄭州 451191 ；3.鄭州第六大街電子科技有限公司，河南 鄭州 450000）

氣溶膠激光雷達(dá)具有較短的波形、很強(qiáng)的方向性、良好的單色性、較高的抗干擾能力、較小的體積等多個優(yōu)勢，因此，在實(shí)際工程技術(shù)應(yīng)用中，檢測空間圖像的靈敏度更強(qiáng)、檢測空間圖像的分辨率更高、檢測空間的抗干擾能力更強(qiáng)。從20世紀(jì)60年代初正式投入至今，激光雷達(dá)檢測設(shè)備的功能技術(shù)有了飛速的發(fā)展，其得到了更廣泛的應(yīng)用，并且應(yīng)用的范圍主要是工業(yè)城市規(guī)劃、水利工程、土地管理、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控、資源環(huán)境勘查、交通信息通信、防震防洪防災(zāi)等方面。激光雷達(dá)不僅能夠?qū)崟r(shí)地跟蹤監(jiān)測各種天氣環(huán)境中的氣溶膠、云層、大氣能見度及對流密度、大氣顆粒的組成、大氣的冷濕度及溫度變化、相對濕度的變化，還能對我國城市上空及其周圍環(huán)境中大氣污染物快速擴(kuò)散的情況、沙塵暴的爆發(fā)等會產(chǎn)生的環(huán)境污染情況進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的跟蹤監(jiān)測[1]。激光雷達(dá)技術(shù)是一種使森林防火設(shè)備獲得空氣和水溶膠影像的便捷有效的手段，可以作為森林防火工程研究的科學(xué)基礎(chǔ)和依據(jù)，具有很實(shí)用的價(jià)值。

1.激光雷達(dá)的構(gòu)成、分類

激光是原子在受到激發(fā)時(shí)輻射的一種光，原子中的電子迅速吸收能量后，從低能級躍遷到一個高能量量級，再從一個高能量量級返回到一個低能量量級的時(shí)候，所有釋放的能量以光子輻射的形式全部放出。

激光雷達(dá)探測系統(tǒng)是以大型激光束雷達(dá)為主要載體，用于探測一個物體并檢測一個目標(biāo)所在的位置、速度等性能特點(diǎn)的一種雷達(dá)系統(tǒng)。它是通過向目標(biāo)位置發(fā)射一個反射性的圖像探測信號(包括激光束)，然后將從被探測目標(biāo)反射回來的圖像信號與發(fā)射的原始圖像信號進(jìn)行比較，經(jīng)過適當(dāng)?shù)膱D像處理后，就可以直接快速獲得探測目標(biāo)的各種相關(guān)圖像信息，例如，這個目標(biāo)的所在距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、物體形狀等各種圖像參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)圖像探測、追蹤和圖像辨認(rèn)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。激光雷達(dá)探測系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)、光脈沖接收器、轉(zhuǎn)臺及信息處理器等主要部件組成，激光器會把電脈沖轉(zhuǎn)換成光學(xué)的電脈沖并對目標(biāo)進(jìn)行發(fā)射，光脈沖接收器會將接收的光電脈沖處理成新的電脈沖，并將其傳送到顯示器。

按照主要工作原理模式的不同，可以將激光雷達(dá)細(xì)分為連續(xù)脈沖式激光雷達(dá)和連續(xù)短波式激光雷達(dá)；按照激光雷達(dá)探測技術(shù)的不同，可以將其分為直接檢測型的激光雷達(dá)、相干間接檢測型的激光雷達(dá)；按照其應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可以將其分為測量型激光雷達(dá)、火控激光雷達(dá)(用于自動控制武器的目標(biāo)瞄準(zhǔn)和導(dǎo)彈發(fā)射)、跟蹤識別型激光雷達(dá)(用于制導(dǎo)、偵察、預(yù)警目標(biāo)的跟蹤檢測)，誘導(dǎo)型激光雷達(dá)(用于航空器和飛行器的飛行對接)、大氣監(jiān)測型激光雷達(dá)(用于探測大氣中的風(fēng)場、氣溶膠、云層高度、臭氧和二氧化碳濃度等)。

2.激光雷達(dá)在森林防火中的應(yīng)用

目前，激光雷達(dá)主要應(yīng)用于高空飛行自動跟蹤、成像和自動制導(dǎo)、三維高空視覺監(jiān)控系統(tǒng)、測風(fēng)、大氣環(huán)境探測監(jiān)控、主動導(dǎo)航遙感等方面，在氣象方面，如大氣氣溶膠與各種天氣變化之間的關(guān)系研究、高空探測大氣物理的研究和大氣環(huán)境污染監(jiān)測等也有應(yīng)用。本文進(jìn)行探究的主要內(nèi)容是激光雷達(dá)技術(shù)在森林防火工程中的應(yīng)用。

2.1 氣溶膠的探測

氣溶膠泛指一種懸浮于大氣環(huán)境中的各種固態(tài)或者液態(tài)的微小顆粒,其大小一般在0.01~10m之間。氣溶膠來源廣泛，且形成原因比較復(fù)雜，例如：油菜花粉等各種植物中的氣體水溶膠粒徑分別為5~100m；木材和各種煙草等經(jīng)過高溫燃燒處理后所分解產(chǎn)生的各種氣體水溶膠,其粒徑為0.01~1000m[2],不僅影響大氣成分，而且破壞臭氧層，污染環(huán)境。PM2.5是一種細(xì)的顆粒物，它在大氣環(huán)境中的空氣動力學(xué)的當(dāng)量直徑≤2.5m,與較粗的大氣環(huán)境顆粒物相比較, PM2.5的粒徑較小，面積較大，活性較強(qiáng)，較易攜帶有毒、有害物質(zhì)（例如各種重金屬、微生物等），在大氣環(huán)境中停留的時(shí)間較長，擴(kuò)散的比較遠(yuǎn)，對人們的身心健康、環(huán)境質(zhì)量影響較大。PM10是一種可吸入性的顆粒物，一般其粒徑在10m以下。可吸入性的顆粒物在大氣環(huán)境中停留的時(shí)間更長，對人類健康、環(huán)境質(zhì)量的影響更大。當(dāng)前，我國大氣中含有的PM10極少，然而，其中含有的氣溶膠對氣候的影響非常大。我國采用激光雷達(dá)對氣溶膠進(jìn)行檢測時(shí)，主要運(yùn)用的是偏振式的激光雷達(dá)檢測技術(shù)，應(yīng)用這種檢測技術(shù)的激光雷達(dá)統(tǒng)稱偏振式微波探測發(fā)射激光雷達(dá)[3]。

2.2 氣溶膠激光雷達(dá)監(jiān)測森林火災(zāi)的工作原理

正常天氣情況下，森林上空空氣中的顆粒物濃度(氣溶膠濃度)有一個正常的范圍(作為標(biāo)定)，森林在燃燒情況下，冒出大量的濃煙霧，會導(dǎo)致森林上空的顆粒物濃度突然升高。氣溶膠激光雷達(dá)在森林上空進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測，結(jié)合GIS地圖數(shù)據(jù)，展示監(jiān)測區(qū)域內(nèi)每個位置每個時(shí)刻的氣溶膠濃度變化，一旦森林某一位置發(fā)生火災(zāi)，激光雷達(dá)可以發(fā)現(xiàn)該區(qū)域顆粒物濃度(氣溶膠濃度)突然增大的大致位置，從而反映出火災(zāi)隱患發(fā)生的大致范圍。激光雷達(dá)的持續(xù)性監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器，服務(wù)器會把預(yù)警數(shù)據(jù)的信息及時(shí)發(fā)送給有關(guān)工作人員，相關(guān)工作人員及時(shí)現(xiàn)場查證，將火災(zāi)控制在初期階段，將損失降到最低。氣溶膠激光雷達(dá)監(jiān)測森林火災(zāi)的工作原理如圖1所示。

圖1 氣溶膠激光雷達(dá)監(jiān)測森林火災(zāi)的工作原理

2.3 氣溶膠激光雷達(dá)在森林防火中的應(yīng)用意義

激光雷達(dá)垂直掃描可以監(jiān)測森林上空大氣氣溶膠的時(shí)空變化，為研究氣候與森林生態(tài)變化等提供有效的數(shù)據(jù)支撐；激光雷達(dá)水平掃描可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷自動掃描監(jiān)測，實(shí)時(shí)監(jiān)測森林上空氣溶膠的濃度變化情況，并能實(shí)時(shí)定位火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)及大致范圍，提升森林防火監(jiān)測效率。激光雷達(dá)掃描范圍在6~15km(與大氣狀況有關(guān))，大大提高了監(jiān)測面積，監(jiān)測結(jié)果可以通過電腦端和手機(jī)端實(shí)時(shí)可查，一旦森林上空氣溶膠濃度異常超標(biāo),意味著災(zāi) 情可能發(fā)生，相關(guān)視頻圖片、氣溶膠濃度數(shù)據(jù)、距離及位置信息實(shí)時(shí)推送給相關(guān)人員，做到及時(shí)報(bào)警，將災(zāi)情控制在前期可控階段。與傳統(tǒng)視頻攝像頭監(jiān)測相比，激光雷達(dá)和視頻監(jiān)控、人工現(xiàn)場核查一起組合，將極大地提高森林火災(zāi)監(jiān)測效率。

3.存在的問題及發(fā)展趨勢

激光雷達(dá)檢測是較新的檢測方法，廣泛應(yīng)用于我國大氣環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，然而，其在理論研究、實(shí)踐應(yīng)用中出現(xiàn)一些弊端。例如：當(dāng)大氣層中光線的傳遞折射作用對激光雷達(dá)產(chǎn)生影響時(shí)，就會使激光光束產(chǎn)生劇烈的晃動和畸形變化，還會對檢測工作的精度產(chǎn)生影響，因此，會使實(shí)時(shí)檢測工作不能正常進(jìn)行。在晴朗的天氣情況下，激光能量減弱得會非常少，其目標(biāo)的傳播距離會更遠(yuǎn)，然而，在暴曬、大暴雨、濃煙、濃霧等惡劣天氣里，其能量減弱得非?？?，目標(biāo)的傳播范圍也會受到特別大的影響。因?yàn)榇朔N激光雷達(dá)光波極其纖細(xì)，檢測目標(biāo)難度極大，只能在非常小的距離內(nèi)檢測，鎖定目標(biāo)，所以惡劣天氣會對檢測的效率產(chǎn)生影響。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們對大氣環(huán)境的質(zhì)量要求也在不斷提高，大氣環(huán)境的監(jiān)測和有效的預(yù)防、治理也備受關(guān)注，對激光雷達(dá)的要求是要及時(shí)、準(zhǔn)確、高效地完成跟蹤監(jiān)控工作。

激光雷達(dá)檢測技術(shù)的未來發(fā)展趨勢可從以下三個方面進(jìn)行歸納：(1)激光雷達(dá)在我國發(fā)展的科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新主要是其檢測系統(tǒng)的軟件和硬件組成方面。激光的光源、發(fā)射及接受器、信號的采集及處理等這些技術(shù)，對大氣環(huán)境監(jiān)控精度的提高提供了最為直接有效的方法。(2)參數(shù)檢測功能由單一變?yōu)槎鄠€參數(shù)。至今，具有很多不同的單一檢測功能的激光雷達(dá)技術(shù)得以實(shí)施，這是降低檢測成本、增強(qiáng)探測質(zhì)量、提升檢測效果的一種有效方式。(3)單一型到多種平臺相結(jié)合的形式發(fā)展，優(yōu)勢相互促進(jìn)，提高了容錯和糾誤的能力。例如：將我國傳統(tǒng)地基激光雷達(dá)和星載激光雷達(dá)的探測技術(shù)手段緊密結(jié)合，構(gòu)建了相關(guān)的數(shù)據(jù)模型，從而拓寬了探測領(lǐng)域，并且也提高了探測的范圍和精度[1]。

4.結(jié)語

激光雷達(dá)檢測系統(tǒng)是一種新型的檢測大氣環(huán)境的手段，采用的技術(shù)是超聲波成像技術(shù)，它的時(shí)空圖像的分辨率非常高，檢測對象的靈敏度非常高，檢測性能好，具有非常強(qiáng)的抗干擾力，在大氣環(huán)境監(jiān)測中得到很廣泛的應(yīng)用。本文闡述了激光雷達(dá)檢測系統(tǒng)的工作原理及在森林防火中的應(yīng)用，并就我國激光雷達(dá)檢測技術(shù)在大氣環(huán)境污染監(jiān)測方面所遇到的部分問題、未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了探索，為以后在這方面的科學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。