大氣環境監測中激光雷達技術的運用范文

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《經緯天地》2017年第4期

【摘要】激光雷達是當前應用廣泛的一種現代光學遙感設備，是傳統雷達技術和現代激光技術結合后的產物，在大氣環境監測中有重要的作用。本文以激光雷達的特點為基礎，對如何將其應用到大氣環境監測中進行分析。

【關鍵詞】大氣環境監測；激光雷達技術；應用要點

激光雷達是集激光技術、光學技術和微弱信號解析技術于一體的一種現代化遙感手段，激光雷達由于探測的波長縮短，波束定向性增強，因此本身具有比較高的分辨率和靈敏度，能準確探測盲區。激光雷達技術形式能實現對大氣環境、海洋和陸地等探測，在各個領域中有重要的作用。

1激光雷達的特點、分類和發展

大氣環境中污染物成分的監測，需要對氣象因素進行掌握，探測大氣成分。激光雷達能探測氣溶膠、云粒子的具體分布，同時能進行大氣成分、污染環境氣體的探測等，對主要污染源、城市上空污染物的擴散等進行有效管理。

1.1激光雷達特點

激光雷達對技術性有嚴格的要求，涉及到激光光源、激光發射和接收光學以及機械系統等，必須合理應用脈沖技術，實現連續工作。激光雷達采用脈沖或者連續波兩種工作形式，探測方式也分為直接探測和外部探測等，通過發射一定頻率的激光脈沖，能將短激光脈沖發射到大氣層，沿著軌跡可以發現，光逐漸被小粒子散射開。反向散射到激光雷達系統中，被監測器接受，接受信號后，對數據處理，得到最終結果。由于光的等速性、時間和散射器等和距離有關，沿著空間信息被檢測后，接受空氣中的粒子和分子后，能實現信號的移動，其本身具有比較高的分辨能力和抗干擾能力。

1.2激光雷達分類

隨著科學技術的不斷發展，激光雷達的類型有很多。在大氣污染和環境監測過程中，地基固定式和車載激光雷達的呈現出網格化的趨勢，機載激光雷達在發達國家應用效果比較明顯，很多空間激光雷達執行范圍擴大。測量對象以SO2、NOx和O3等為主，在探測過程中以高靈敏度為主，考慮到吸收形式和米氏后向散射法的具體要求，激光器發展則以半導形式為主，激光器的發展趨勢是采用半導體激光器泵浦的全固化激光器。

1.3激光雷達技術的發展

近幾年我國激光雷達技術取得突出的進步，我國中科院大氣物理所研制出第一臺激光雷達，同時附帶能見度比較高的YAG雷達。中科院武漢物理與數學研究的激光雷達，鈉層熒光激光雷達和拉曼散射激光雷達應用優勢比較明顯。中科院安徽光機所的激光雷達技術研究取得了突出的成就，已先后研制成功我國第一臺測污激光雷達即監測乙烯的JC-1激光雷達、平流層氣溶膠探測L625激光雷達、可移動雙波長對流層和近地層氣溶膠探測L300激光雷達、我國第一臺平流層臭氧探測UV-DIAL差分激光雷達，能實現大氣環境屬性的監測[1]。

2大氣環境監測中激光雷達技術的具體應用

當前我國激光雷達技術在具體檢測中起到重要的作用，在具體應用過程中建立了雷達觀測站，激光雷達在國內發展趨勢比較明顯，如何將其應用到大氣環境監測中成為重點。以下將對大氣環境監測中激光雷達技術的具體應用進行分析。

2.1氣溶膠和邊界層的探測

在諸多大氣環境影響因素中，氣候是主導因素，云和氣溶膠是兩個重要但是不能確定的影響因子，氣溶膠通過吸收和散射太陽輻射以及地球的長波輻射后對大氣系統產生影響。云層對大氣輻射平衡影響較大，對于系統本身而言，云不僅僅是指示器，同時也是調節器，云在氣候變化中起到重要的作用，根據邊界層的參數設定要求可知，如果準確確定高度和準確度是張洪點，在實施過程中要了解傳輸模式和污染物的系數。在各項指標確定的過程中，利用激光雷達能實現對云和氣溶膠的處理，在實踐過程采用Mie散射，包括共振熒光、偏振等，為了實現不同區域的探測，要對消光系數、后向散射系數等進行處理，了解結構特征，并對各類特征進行分析[2]。

2.2溫度的探測

溫度是一個重要的氣象參量，大氣溫度對海洋、大氣物理和天氣預報等起到重要的作用，根據現有溫度檢測形式可知，充分利用高分辨率的激光雷達，能得到準確的數據。拉曼激光雷達也可以應用到溫度探測中，該方案分為振動和轉動兩種，可以充分利用N2和O2分子，以轉動譜線強度和溫度關系測量為基礎，可以采用雙波長轉動拉曼散射原理實現大氣溫度的探查[3]。

2.3能見度的監測

能見度的好壞直接反應區域大氣環境的質量，同時和人們的日常生活存在一定的聯系，尤其是海陸空交通容易受到制約。如果能見度比較低，則直接給人們帶來諸多不良影響，因此探究大氣環境質量，了解能見度是關鍵。在能見度監測過程中采用激光雷達技術，能直接探測激光和雷達的相互關系，根據大氣能見度的具體要求可知，為了準確反應大氣對傳輸的衰減作用，需要將其作為重要手段，按照能見度和傾斜程度進行評價。水平能見度在大氣環境均勻的條件下可見度比較高，根據現有原理和消光系數要求可知，克服其他不良因素的影響，能滿足具體要求[4]。

2.4風的探測

風速是氣候學研究的重點所在，也是大氣環境中污染物輸送的重要參數，大氣中風速的測量對全球氣候有一定的積極影響，提升數值天氣預報的精度是重點所在。在局部區域檢查過程中，要了解技術要點和重點，實現直接檢測。地基相干系統逐漸成熟，其整體上對發射激光有嚴格的要求，考慮到發射、接收光學系統等變化，要做好邊界層的風速測量工作，非相干檢測技術受到廣泛的重視，根據邊緣檢測系統的具體要求可知，做好大風場的測量是關鍵。利用單邊緣檢測技術測量風速時，要了解氣溶膠和分子散射點，兼顧到大氣風速測量類型，為了提升風速實現靈敏度檢測，必須合理應用檢測技術[5]。

2.5大氣成分的檢測

大氣成分的檢測對制定環境保護方針有重要的作用，以差分吸收激光雷達系統為例，該系統形式利用激光被氣體分子的吸收和被氣溶膠、大氣分子向后散射后，直接進行預設。該系統在大氣成分測定中起到重要的作用，包括：水蒸氣、臭氧和大氣污染體等，以差分吸收激光雷達測量原理作為基礎，要做好物質吸收線測量工作，另外波長調到線上，以高重復頻率將這兩種波長的光交替發射至大氣中。此時由于激光雷達所測量到的這兩種波長光信號衰減差是待測對象的吸收所致，因此通過數據分析，便可得到待測對象的濃度分布，從而達到測量目的。

2.6水汽探測

水汽在大氣中含量比較少，是比較活躍的一種氣體成分，是生成云和降雨必不可少的因子，對天氣和氣候等有重要的影響，同時也是大氣污染物中氣溶膠和二次污染物形成的重要影響因素。水汽在紅外波段有很多吸收帶，能吸收很多部分的太陽輻射能，使其成為平衡地氣系統輻射收支的一個重要因素。水汽的重要因素和具體分布會產生一定的影響，利用Ranan光譜技術探測大氣中水汽垂直分布情況，激光雷達探測水汽能力逐漸提升，在具體監測中起到重要的作用，根據空間和時間分辨率要求，嚴格按照測量精準度實施，根據結構和時間變化對技術進行處理。激光雷達在探測水汽的高度、空間和時間分辨率、測量精度上都得到了迅速發展，顯示了它在捕獲水汽的空間結構和隨時間變化特征等方面具有優越的能力。

3結束語

近些年來我國激光雷達技術取得了突出的成就，朝著精細化和定量化的方向發展，為了保證技術應用的合理性，要突出技術的應用優勢，嚴格按照檢測要求落實，進而促進該技術在大氣環境監測工作中的合理化應用。

參考文獻

[1]呂國屏，廖承銳，高媛赟，徐雁南，李海東.激光雷達技術在礦山生態環境監測中的應用[J].生態與農村環境學報，2017（07）：577~585.

[2]伍德俠，宮正宇，潘本鋒，王界，萬學平.顆粒物激光雷達在大氣復合污染立體監測中的應用[J].中國環境監測，2015，31（05）：156~162.

[3]尹青，何金海，張華.激光雷達在氣象和大氣環境監測中的應用[J].氣象與環境學報，2009，25（05）：48~56.

[4]楊義彬.激光雷達技術的發展及其在大氣環境監測中的應用[J].成都信息工程學院學報，2005（06）：725~727.

[5]楊洋，關榮華.用于大氣環境監測的YAG激光雷達技術的現狀與動向[J].紅外與激光工程，2001（06）：466~469.

作者：姜杰；郭燕鴻 單位：貴州省環境監測中心站