激光雷达技术及其在大气环境监测中的应用　

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1、激光雷达技术及其在大气环境监测中的应用(1.内蒙古大气探测技术保障中心，内蒙古呼和浩特010051；2.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古呼和浩特010018)摘要：文章论述了激光雷达系统的原理、特点、分类、发展现状及其在大气环境监测中的应用，重点阐述了利用激光雷达对气溶胶、云、大气组分和大气动力学参数等进行实时、快速监测的技术以及其中的各种机制，包括Mie散射、Rayleigh散射、Raman散射、多普勒、差分吸收机制等。关键词：激光雷达；监测；大气环境中图分类号：TN959.3文献标识码：A文章编号：1007—6921(XX)02—0085—02从2

2、0世纪60年代激光雷达问世以来，短短40余年中，激光雷达技术得到了飞速的发展。激光雷达由于具有波长短单色性好、方向性强、相干扰性高和体积小等特点，因而呈现出较高的空间分辨率、探测灵敏度和抗干扰能力，其应用涉及科学研究、军事工程和国民经济各个领域，特别是在气象探测方面得到了尤为广泛的应用。它可以用来测量气溶胶云、能见度、大气成分、空中风场、大气密度、温度和湿度的变化，对城市上空环境污染物的扩散、沙尘暴过程进行有效的监测。精确的实时数据不仅能用于飞行保障，而且能为研究气候变化、天气预报和建立正确的大气模型提供依据。1激光雷达的原理、分类及其发展激光雷达是传统雷达技术（

3、以微波和毫米波段的电磁波作为载波的雷达）与现代激光技术相结合的产物。它是以激光器为辐射源，以光电探测器为接收器件，以光学望远镜为天线的一种雷达。该雷达利用激光进行回波测距和定向，并通过位置、径向速度以及目标物体的反射特性来识别物体，体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术，是一种极为有效的主动遥感工具。激光束发射后，可以在不同的时间接收回波信号。通过某高度段被探测大气的回波信号接收时相对于发射激光脉冲的延时T和光的速度c，可换算出该大气回波产生处到大气探测激光雷达的直线距离z，即z=Tc/2激光雷达系统主要由激光器、发射接收天线、光电探测器、信号处理系统、控制系

4、统与电源6部分组成，其系统原理框如图1所示740)this,width=740nborder^undefined>根据激光雷达工作原理的不同，可以把当前探测大气的激光雷达分为Mie散射激光雷达、Rayleigh散射激光雷达、Raman散射激光雷达、差分吸收激光雷达和共振劳光激光雷达等若干种类。其中Mie散射激光雷达主要用于探测30km以下低空大气中气溶胶和云雾的辐射特性，Rayleigh散射激光雷达主要用于探测30km〜70km高空的大气密度和温度分布，Raman散射激光雷达一般则用于对大气温度、湿度以及一些污染物的测量，差分吸收激光雷达一般用于测量大气中氧以及其

5、他微量气体，其测量精度比Raman散射激光雷达高出约3个数量级，共振荧光激光雷达一般用于对80km110km局空的一些金属原子的测量，比如纳原子。激光雷达的发展经历了由简单到复杂、由低级到高级的过程。20世纪60年代中期，美国伯金艾莫尔公司研制出第一台He-Ne激光跟踪测量雷达，其测距误差为±0.6m，测角误差为0.Imrad,并用于靶场测量。随后以人造卫星测距机的发展最为突出，1969年就精确地测出了地球测点与月球上反射器之间的距离。60年代后期和70年代初期，研制的重点转向单脉冲激光雷达和C02激光雷达。1968年，Raytheon研制出第一台G02相干激光雷

6、达。1970年，西尔瓦尼亚公司研制成第一台YAG单脉冲激光雷达，其测距误差为士0.15m,测角误差为0.Imrad,10年后又研制了改进型YAG单脉冲激光雷达。80年代后期，随着二极管阵列的出现和二极管泵浦固体激光器的出现，半导体激光雷达、固体激光雷达和C02激光雷达齐头并进，在各自的领域内蓬勃发展。1992年，美国科学与工程设备公司开发了二极管激光泵浦态激光器微脉冲激光雷达，在此基础上又开发了这种光源的差分吸收激光雷达、拉曼散射激光雷达、多普勒激光雷达和生物激光雷达。1994年〜1995年，ESA进行了LMD脉冲相干多普勒雷达风速实验，并对测风雷达的性能进行了初

7、步的研究。1994年9月9日载有米散射激光雷达LITE的“发现号”航天飞机成功发射，进行了空间激光雷达技术实验。LITE是人类第一次实现了空基激光雷达对大气的探测，是激光雷达发展史上具有划时代意义的里程碑。它开辟了激光雷达大气探测的新纪元。这些成果都标志着激光雷达的发展进入了实用化、商品化的新阶段，随着其关键技术和系统技术的长足进步，展示了它在军事上和国民经济中的广泛应用前景。我国的大气探测激光雷达从研制开发到投入使用前后共用了30多年的时间，所取得的成绩获得了国际相关领域同行的认可。1965年中科院大气物理所研制了我国第一台探测大气气溶胶的激光雷达系统，该系统采

8、用红宝石激