激光雷達技術為什么能用于大氣環(huán)境監(jiān)測?

自激光雷達測繪技術20世紀60年代問世后迅猛發(fā)展，激光雷達具有波長短、方向性強、單色性好、抗干擾性高和體積小等特點，能夠在應用中呈現(xiàn)出了較高的探測靈敏度、空間分辨率和抗干擾能力。

目前被廣泛應用，涉及行業(yè)甚廣，如水利工程、農(nóng)業(yè)開發(fā)、土地利用、環(huán)境監(jiān)測、城市規(guī)劃、交通通訊、方陣減災、資源勘測和軍事工程等等領域。今日我們主要說說激光雷達技術在大氣環(huán)境監(jiān)測方面發(fā)揮的重要作用。 

激光雷達是什么？

激光雷達是傳統(tǒng)的雷達技術與現(xiàn)代激光技術相結合的產(chǎn)物，其工作在紅外和可見光波段。激光雷達的作用是能精確測量目標位置( 距離和角度) 、運動狀態(tài)( 速度、振動和姿態(tài)) 和形狀，探測、識別、分辨和跟蹤目標。

激光雷達技術為什么能用于大氣環(huán)境監(jiān)測呢？

這是由于激光雷達技術可以測量氣溶膠、云、能見度、大氣成分、空中風場、大氣密度、大氣溫度和濕度的變化，對城市上空環(huán)境污染物的擴散和沙塵暴發(fā)生的過程等進行有效的監(jiān)測。

檢測的實時數(shù)據(jù)為研究氣候變化、天氣預報和自然災害預報，建立正確的大氣模型提供了有力依據(jù)。

激光雷達技術在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應用

一、氣溶膠及顆粒物的探測

氣溶膠通過吸收和散射太陽輻射以及地球的長波輻射影響著地球—大氣系統(tǒng)的輻射收支，它作為凝結核參與云的形成，從而對局地、區(qū)域乃至全球的氣候有重要的影響。盡管其在大氣中的含量很低，但氣溶膠和云對氣候變化的影響還是很大的。

氣溶膠是由固體或液體小質點分散并懸浮在氣體介質中形成的膠體分散體系。對大氣氣002溶膠進行探測使用的技術為 Mie 散射相關探測技術，應用該技術的激光探測雷達稱為 Mie 散射激光雷達。

Mie 散射是由大氣中粒徑較大的懸浮物引起的激光波長不發(fā)生變化的彈性散射。

二、大氣臭氧的探測

自然界中的臭氧，大多分布在距地面 20km ～50km 的大氣中，我們稱之為臭氧層。對大氣臭氧進行探測使用的技術為差分吸收原理，檢測大氣臭氧的激光雷達稱為大氣差分吸收激光雷達。

大氣差分吸收激光雷達通過同一光路同時發(fā)射兩束波長相近的激光束，由于兩束激光處于同一光路且波長相近，待測物質對兩束激光有相同的影響，相互抵消誤差可以大大提高激光雷達的抗干擾特性。

三、大氣風速的探測

準確及時的風場數(shù)據(jù)可以提高長期天氣預報的準確性，提高對颶風等惡劣天氣跟蹤及登陸預報的準確性。目前對大氣風速測量的激光雷達多采用多普勒效應，該類激光雷達稱為多普勒激光雷達。

多普勒激光雷達利用激光通過空氣中的微粒( 云和霧中的灰塵、水滴、鹽晶體、生物質燃燒氣溶膠和污染的氣溶膠) 后向散射的回波信號產(chǎn)生的多普勒頻移進行測量，通過分析和處理這些測量信息得到高時空分辨率、高精度的實時風場數(shù)據(jù)。

四、大氣溫度、濕度的探測

溫度對海洋、天氣分析和預報、大氣物理、環(huán)境的研究起到很重要的作用。目前，探測大氣溫度的激光雷達有瑞利散射激光雷達、高光譜分辨率激光雷達和拉曼激光雷達。

隨著人們對生活環(huán)境質量的要求越來越高，大氣環(huán)境的有效監(jiān)測和治理自然得到了廣泛關注，而及時、準確、高效的監(jiān)測是前提。

激光雷達探測技術今后的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下三個方面:

1、激光雷達技術的創(chuàng)新發(fā)展，主要指激光雷達系統(tǒng)中的硬件部分。創(chuàng)新和發(fā)展激光光源技術、發(fā)射和接收技術、信號采集和處理技術是提高大氣環(huán)境監(jiān)測精度的最直接方法。

2、從單一參數(shù)探測功能向多參數(shù)探測功能方向發(fā)展。目前具有多種單一探測功能的激光雷達技術，利用理論模型將多種技術進行有機融合，是降低探測成本和提高探測效率的有效途徑。

3、從單一平臺向多平臺相結合發(fā)展，優(yōu)勢互補，提高容錯糾錯能力，如將傳統(tǒng)的地基激光雷達與星載激光雷達探測手段相結合，建立相關的數(shù)據(jù)模型，從而擴大探測范圍和提高探測精度。

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