新型资源环境激光雷达遥感监测技术与方法
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体积小，可连续观测
9
人眼安全激光雷达数据与非安全激光雷达比较
10
美国夏威夷大学大气激光雷达
11
12
MISR
13
SeaWifs
TOMS
14
15
LITE测量台风Melissa风眼的结果
16
GLAS
17
英国星载激光雷达接收技术
高分辨光谱接收光学 高分辨探测子系统 空间结构与电子学
18
19
中层大气相对温度扰动
30
拉曼（Raman）激光雷达
利用拉曼散射原理来测量不同大气组分，主要用于大气温度和大气湿度的测量。 美国宇航局(NASA)Goddard研究中心的扫描拉曼激光雷达
望远镜和扫描镜
31
ALOMAR 激光雷达
ALOMAR是由欧共体部分 国家合作在挪威共建的极地 大气观测站。
激光雷达为其主要探测设备 ，建于90年代末，采用了多 功能的技术方案， 称为瑞利 /米/拉曼激光雷达，以同时 探测大气密度、温度、湿度 和气溶胶等参数。
35
（6）中层顶原子、离子探测
共振荧光激光雷达(80-110公里)。目前最为普遍采用的是钠层荧光激光雷达 宽线宽钠层荧光激光雷达
钠层荧光激光雷达典型回波信号
36
激光雷达海洋遥感探测应用
37
回波监视 信号采样
系统三维 扫描
计算机
光触发器
收发对准
调校
3
激光雷达大气遥感探测应用
4
激光雷达可为大气遥感研究提供那些重要参数？
(1) 大气气溶胶和云 激光雷达可以以很高的时间和空间分辨率探测气溶胶和云的空
间分布和时间演化。 （弹性（Mie）散射激光雷达） 其中包括：气溶胶监测、云的光学特性、云高、气溶胶和云的
卫星序列的数据融合与同化
五颗卫星排成一列飞行，对同一地点进行观测，可获得在时 间上准同步的多源数据。这也被称为A火车 （A-train）
20
（2）气体组分
用来监测重要大气组分，象臭氧、CO2、甲烷等的空间 分布和长期变化趋势。 （差分吸收激光雷达）
21
差分吸收激光雷达（DIAL） DIAL: DIfferential Absorption Lidar 差分吸收激光雷达基于大气对不同波长的光有不同的吸收系数
27
中国海洋大学研制的车载非相干多普勒测风激光雷达
国内还有中科院安徽光机所也在研制测风激光雷达
28
（4）大气的湿度和温度是很重要的大气参数。Raman散射激光雷达能对大 气湿度和温度廓线进行高时空分辨率和连续性的探测，在大气研究中有重要 的应用价值。
大气湿度廓线探测
振转拉曼大气温度廓线探测
29
(5) 波动测量
目前有约一半的气溶胶来自于人类活动。
6
7
气溶胶的影响
•（人类健康） •（疾病传播） •（能见度，对交通的影响） •（土壤退化和山火的标示） •（气候）
– （直接：辐射强迫） – （间接：与云的相互作用、以及降水） •（大气校正）
8
米氏(Mie)散射激光雷达测量气溶胶和云
微脉冲激光雷达 Micro Pulse Lidar （MPL）
相互作用、大气光学特性，等。
5
Sources of aerosols 气溶胶来源
•Smoke from fires （包括山火、工业、交通工具） •Dust from soils （自然的，人为的（建筑业）） •Salt particles from sea spray （海盐） •Haze from photochemical smog （光化学烟雾产生的霭） •Volcanic plumes （火山） •Pollen from plants （花粉）
的原理，用于探测各种微量气体组分。例如，对于臭氧的探测，是 应用两个不同的激光发射波长，一个在臭氧的光谱吸收峰上，另一 个在臭氧吸收峰外，通过比较两个波长上不同的回波信号来获得臭 氧在激光路径上的空间浓度分布信息。
差分吸收激光雷达也被用于探测硫氧化物（SOX）、氮氧化物 （NOX）等污染气体。
22
欧洲ALOMAR臭氧激光雷达
新型资源环境激光雷达 遥感监测技术与方法
龚威
武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室
1
要点
• 大气遥感激光雷达 • 海洋遥感激光雷达 • 陆地探测激光雷达 • 目标探测激光雷达 • 激光雷达技术与应用的发展 • 小结
2
激光器
波长变换
扩束整形 光学
发射器 目标
光电探测器
通道分光
窄带滤光
接收光学
放大器
（ MACAWS ）
26
美国大气与海洋局（NOAA）的 高分辨全固态多普勒激光雷达(HRDL)
波长
2.0218 µm (人眼安全)
脉冲能量
1.5 mJ
脉冲频率
200 Hz
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
频率稳定性
0.2 MHz
分辨率
垂直30 m，时间0.02 s, 速度5 cm/s
最低探测高度
0.2 km
最高探测高度
2 - 9 km (典型值 3 km)
23
由中科院安徽光机所研制的差分吸收污染测量车
24
（3）风场测量
大气分子的运动会使散射的光信号波长发生变化，通过对激光雷达接收 到的光信号波长变化量大小的测量，可确定风速的大小；再通过不同方向的 测量数据，可确定风向。
25
多普勒（Doppler）测风激光雷达
分为相干多普勒和非相干多普勒两大类
美国宇航局（NASA）的 机载相干测风激光雷达
32
IAP RMR 激光雷达
德国Kuhlungsborn大气研究所近年 来建造的激光雷达，也采用了类似 ALOMAR的技术方案，并且还增加 了差分吸收工作机制，以同时探测 臭氧。
33
安徽光机所Mie-Raman-Dial激光雷达
1 望远镜（0.625米） 2 数据获取 3 激光发射器
34
2.65米直径水银主镜（加拿大）
大气层是一个处于稳定与非稳定之间的动态平衡系统。当大气层变得不稳定 时，会产生波长范围在十到千公里级的波动。一种波动称为“行星波”，会对大 气和气候产生一天到几天的影响。
重力波是大气中的一种常见的波动现象。它通常由低层大气中的扰动过程所 产生，并往上向中层大气传播。重力波在向上传播的过程中，其幅度会迅速增大 。到中层顶附近，重力波将破碎并释放出能量而形成湍流，导致中层大气温度、 密度等的强烈不稳定改变，对中层大气的动力学过程造成很大的影响。由于重力 波在向上传播的过程中，会引起中层大气密度或温度分布的改变，因此可以从激 光雷达探测到的大气密度或温度分布的扰动变化中获得重力波特性的信息。
9
人眼安全激光雷达数据与非安全激光雷达比较
10
美国夏威夷大学大气激光雷达
11
12
MISR
13
SeaWifs
TOMS
14
15
LITE测量台风Melissa风眼的结果
16
GLAS
17
英国星载激光雷达接收技术
高分辨光谱接收光学 高分辨探测子系统 空间结构与电子学
18
19
中层大气相对温度扰动
30
拉曼（Raman）激光雷达
利用拉曼散射原理来测量不同大气组分，主要用于大气温度和大气湿度的测量。 美国宇航局(NASA)Goddard研究中心的扫描拉曼激光雷达
望远镜和扫描镜
31
ALOMAR 激光雷达
ALOMAR是由欧共体部分 国家合作在挪威共建的极地 大气观测站。
激光雷达为其主要探测设备 ，建于90年代末，采用了多 功能的技术方案， 称为瑞利 /米/拉曼激光雷达，以同时 探测大气密度、温度、湿度 和气溶胶等参数。
35
（6）中层顶原子、离子探测
共振荧光激光雷达(80-110公里)。目前最为普遍采用的是钠层荧光激光雷达 宽线宽钠层荧光激光雷达
钠层荧光激光雷达典型回波信号
36
激光雷达海洋遥感探测应用
37
回波监视 信号采样
系统三维 扫描
计算机
光触发器
收发对准
调校
3
激光雷达大气遥感探测应用
4
激光雷达可为大气遥感研究提供那些重要参数？
(1) 大气气溶胶和云 激光雷达可以以很高的时间和空间分辨率探测气溶胶和云的空
间分布和时间演化。 （弹性（Mie）散射激光雷达） 其中包括：气溶胶监测、云的光学特性、云高、气溶胶和云的
卫星序列的数据融合与同化
五颗卫星排成一列飞行，对同一地点进行观测，可获得在时 间上准同步的多源数据。这也被称为A火车 （A-train）
20
（2）气体组分
用来监测重要大气组分，象臭氧、CO2、甲烷等的空间 分布和长期变化趋势。 （差分吸收激光雷达）
21
差分吸收激光雷达（DIAL） DIAL: DIfferential Absorption Lidar 差分吸收激光雷达基于大气对不同波长的光有不同的吸收系数
27
中国海洋大学研制的车载非相干多普勒测风激光雷达
国内还有中科院安徽光机所也在研制测风激光雷达
28
（4）大气的湿度和温度是很重要的大气参数。Raman散射激光雷达能对大 气湿度和温度廓线进行高时空分辨率和连续性的探测，在大气研究中有重要 的应用价值。
大气湿度廓线探测
振转拉曼大气温度廓线探测
29
(5) 波动测量
目前有约一半的气溶胶来自于人类活动。
6
7
气溶胶的影响
•（人类健康） •（疾病传播） •（能见度，对交通的影响） •（土壤退化和山火的标示） •（气候）
– （直接：辐射强迫） – （间接：与云的相互作用、以及降水） •（大气校正）
8
米氏(Mie)散射激光雷达测量气溶胶和云
微脉冲激光雷达 Micro Pulse Lidar （MPL）
相互作用、大气光学特性，等。
5
Sources of aerosols 气溶胶来源
•Smoke from fires （包括山火、工业、交通工具） •Dust from soils （自然的，人为的（建筑业）） •Salt particles from sea spray （海盐） •Haze from photochemical smog （光化学烟雾产生的霭） •Volcanic plumes （火山） •Pollen from plants （花粉）
的原理，用于探测各种微量气体组分。例如，对于臭氧的探测，是 应用两个不同的激光发射波长，一个在臭氧的光谱吸收峰上，另一 个在臭氧吸收峰外，通过比较两个波长上不同的回波信号来获得臭 氧在激光路径上的空间浓度分布信息。
差分吸收激光雷达也被用于探测硫氧化物（SOX）、氮氧化物 （NOX）等污染气体。
22
欧洲ALOMAR臭氧激光雷达
新型资源环境激光雷达 遥感监测技术与方法
龚威
武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室
1
要点
• 大气遥感激光雷达 • 海洋遥感激光雷达 • 陆地探测激光雷达 • 目标探测激光雷达 • 激光雷达技术与应用的发展 • 小结
2
激光器
波长变换
扩束整形 光学
发射器 目标
光电探测器
通道分光
窄带滤光
接收光学
放大器
（ MACAWS ）
26
美国大气与海洋局（NOAA）的 高分辨全固态多普勒激光雷达(HRDL)
波长
2.0218 µm (人眼安全)
脉冲能量
1.5 mJ
脉冲频率
200 Hz
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
频率稳定性
0.2 MHz
分辨率
垂直30 m，时间0.02 s, 速度5 cm/s
最低探测高度
0.2 km
最高探测高度
2 - 9 km (典型值 3 km)
23
由中科院安徽光机所研制的差分吸收污染测量车
24
（3）风场测量
大气分子的运动会使散射的光信号波长发生变化，通过对激光雷达接收 到的光信号波长变化量大小的测量，可确定风速的大小；再通过不同方向的 测量数据，可确定风向。
25
多普勒（Doppler）测风激光雷达
分为相干多普勒和非相干多普勒两大类
美国宇航局（NASA）的 机载相干测风激光雷达
32
IAP RMR 激光雷达
德国Kuhlungsborn大气研究所近年 来建造的激光雷达，也采用了类似 ALOMAR的技术方案，并且还增加 了差分吸收工作机制，以同时探测 臭氧。
33
安徽光机所Mie-Raman-Dial激光雷达
1 望远镜（0.625米） 2 数据获取 3 激光发射器
34
2.65米直径水银主镜（加拿大）
大气层是一个处于稳定与非稳定之间的动态平衡系统。当大气层变得不稳定 时，会产生波长范围在十到千公里级的波动。一种波动称为“行星波”，会对大 气和气候产生一天到几天的影响。
重力波是大气中的一种常见的波动现象。它通常由低层大气中的扰动过程所 产生，并往上向中层大气传播。重力波在向上传播的过程中，其幅度会迅速增大 。到中层顶附近，重力波将破碎并释放出能量而形成湍流，导致中层大气温度、 密度等的强烈不稳定改变，对中层大气的动力学过程造成很大的影响。由于重力 波在向上传播的过程中，会引起中层大气密度或温度分布的改变，因此可以从激 光雷达探测到的大气密度或温度分布的扰动变化中获得重力波特性的信息。