激光雷达在大气探测中的应用浅析

激光雷达在大气探测中的应用浅析

摘要:激光雷达具有波束定向性强、探测波长短、能量密度高等特点,在大气探测中能够发挥空间分辨率高、探测灵敏度高等优点。文章分析了激光雷达大气探测的基本原理,介绍了激光雷达的类型,探讨了激光雷达在大气探测中的具体应用,并提出一些观点以供参考。

关键词:激光雷达大气探测散射

激光具有方向性、单色性、相干性、高亮度、高能量、高功能等特点。激光雷达充分利用了激光的性能,将微弱信号探测技术、光学技术、激光技术集于一体,是一种先进的光学探测手段。近年来,激光雷达广泛应用于陆地、海洋、大气高精度遥感探测中。在大气探测中,激光雷达主要用于探测污染环境气体、大气成分、大气密度、大气温度等。

1 激光雷达大气探测的基本原理

激光雷达的工作原理和普通雷达的工作原理相似,发射系统发出信号、接受系统收集、处理该信号和目标作用后的返回信号,从而获得工作需要的信息。然而不同点在于,普通雷达所发射的信号是毫米波,而激光雷达所发射的信号是激光束,激光束的波长比毫米波的波长短。普通的无线电雷达因为波长过长,所以难以探测微粒型或小型目标;而激光雷达的激光波长可以控制在微米量级,所以激光雷达能够较好地探测微粒型或小型目标。

激光雷达在大气探测中的应用的基础为大气中的气溶胶粒子、分子、原子和光辐射之间的相互作用。主要的物理过程表现为米散射、瑞利散射、拉曼散射、荧光散射以及共振色散等。米散射是由和激光波长相当的气溶胶粒子所引发的散射现象,其入射激光波长和散射谱的中心波长相同,入射激光谱宽和散射谱的谱宽接近。米散射可以用于探测大气气溶胶。瑞利散射是由小于激光波长的散射体粒子的原子或分子所引发的散射现象,其入射激光波长也和散射谱的中心波长相同,大气温度变化影响着入射激光谱宽。瑞利散射可以用于测量大气分子密度、大气温度等参赛。拉曼散射一般可以分为振动拉曼散射和转动拉曼散射,是由大气原子或分子所引发的一种非弹性散射,在各种散射机理中拉曼散射的散射截面最小,需要高效率的检测和分光系统,由于拉曼散射的散射机理较为特殊,可以用于大气成分、大气温度、水蒸气密度的探测。

2 激光雷达的类型

目前,激光雷达分类方式有多种,例如按照激光雷达结构、工作空间或接收信号的方式进行分类。按照激光雷达的结构,激光雷达可以分成两大类:双稳态系统激光雷达和单稳态系统激光雷达。其中,双稳态系统中的接收部分和发射部分放置在不同的地点,能够有效地提高激光雷达的空间分辨率。不过,现在脉宽是ns级的激光就能够提供非常可观的空间分辨率,所以双稳态系统使用较少。通常,单稳态系统是

单端系统,即通过一个光学孔径发射信号和接收信号,由发送/接收开关进行隔离。按照激光雷达的工作空间,激光雷达可以分为地对空探测激光雷达、机载激光雷达、车载激光雷达、船载激光雷达、星载激光雷达、地面固定式激光雷达等类型。激光雷达接收信号的方式不同,激光雷达的用途也就不同。激光雷达可以接收反射信号、吸收衰减信号、弹性散射信号(如,米散射、瑞利散射)、共振散射信号、拉曼散射信号、荧光信号、差分吸收散射信号等,从而发挥着不同的用途,形成不同的激光雷达。例如,吸收型激光雷达、散射型激光雷达、拉曼激光雷达、荧光激光雷达、差分吸收激光雷达等。

3 激光雷达大气探测的具体应用

激光雷达的探测波长短、能量密度高、波束定向性强,具有很高的探测灵敏度和空间分辨率,能很好地分辨被探测物体,探测时不存在探测盲区。由于激光雷达相对于普通雷达的优势较大,目前激光雷达探测已经成为了大气、陆地、海洋高精度遥感探测的重要方法,广泛应用于定位、航天、导航、通信、环境检测等高新技术领域。激光雷达大气探测的具体应用表现在大气污染探测、大气温度探测、大气密度探测等方面。现就激光雷达大气及其污染探测展开探讨。

激光雷达用于大气及其污染探测时,可以根据实际探测需要,灵活选用地对空激光雷达、机载激光雷达、星载激光雷达、地基固定式激

光雷达进行探测。在具体探测中,根据探测目标选用恰当的激光雷达系统。例如,选用米散射激光雷达对大气气溶胶和悬浮尘埃进行探测。气溶胶导致了许多环境污染问题,比如烟雾事件、酸雨形成、臭氧层破坏等,探测分析大气中的气溶胶,可以更好地进行环境保护工作。当激光和大气粒子相互作用时,米散射有着最大的微分散射几率,米色散比瑞利散射和拉曼散射的微分散射几率要高得多。即使大气中只有少量的气溶胶或低浓度悬浮尘埃,米散射也能够探测出污染物成分和污染程度,获得较高精确度的基础性数据,促进大气评估的定量化研究,提高大气污染监控的有效性,为相关决策提供客观依据。

瑞利散射激光雷达能够有效探测对大气臭氧层构成破坏的氟利昂系列。瑞利散射有着较大的后向散射截面,是大气分子或源自的弹性散射。所以,瑞利散射激光雷达可以用于探测中层大气成分变化情况。拉曼散射是由激光作用于大气物质粒子而引发的非弹性散射,散射物体成分决定了入射光子和散射光子能量之差。拉曼散射能够用于监测汽车、工厂排放的羽状污染源。近年来,差分吸收激光雷达的探测灵敏度越来越高,在城市污染源和城市大气环境的高分辨率探测中都获得很好利用。差分吸收激光雷达探测的主要对象是有机气体、气溶胶、二氧化硫、氧化氮等。差分吸收激光雷达系统较好的利用了差分吸收测量技术和大气对光的米氏弹性散射原理,能够对大气对流层的飘尘、二氧化氮、二氧化硫、臭氧等的动态变化和三维空间分布进行有效的探测。

4 结语

综上所述,由于激光束的波长比毫米波的波长短,激光雷达能够更加有效地探测微粒型或小型目标,激光雷达比普通雷达在大气探测中根据优势。近年来,在污染环境气体、大气成分、大气密度、大气温度等探测中,激光雷达已经获得了广泛的应用。在具体探测中,需要根据不同的探测目的,选用恰当的激光雷达。例如,探测大气气溶胶,可以选用米散射激光雷达;探测大气气体成分,可以选用荧光激光雷达、拉曼散射激光雷达、或差分吸收激光雷达;探测大气分子密度,可以选用瑞利散射激光雷达。

参考文献

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