大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中激光雷達(dá)技術(shù)的運(yùn)用范文

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《經(jīng)緯天地》2017年第4期

【摘要】激光雷達(dá)是當(dāng)前應(yīng)用廣泛的一種現(xiàn)代光學(xué)遙感設(shè)備，是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)和現(xiàn)代激光技術(shù)結(jié)合后的產(chǎn)物，在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中有重要的作用。本文以激光雷達(dá)的特點(diǎn)為基礎(chǔ)，對(duì)如何將其應(yīng)用到大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)；激光雷達(dá)技術(shù)；應(yīng)用要點(diǎn)

激光雷達(dá)是集激光技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和微弱信號(hào)解析技術(shù)于一體的一種現(xiàn)代化遙感手段，激光雷達(dá)由于探測(cè)的波長(zhǎng)縮短，波束定向性增強(qiáng)，因此本身具有比較高的分辨率和靈敏度，能準(zhǔn)確探測(cè)盲區(qū)。激光雷達(dá)技術(shù)形式能實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣環(huán)境、海洋和陸地等探測(cè)，在各個(gè)領(lǐng)域中有重要的作用。

1激光雷達(dá)的特點(diǎn)、分類(lèi)和發(fā)展

大氣環(huán)境中污染物成分的監(jiān)測(cè)，需要對(duì)氣象因素進(jìn)行掌握，探測(cè)大氣成分。激光雷達(dá)能探測(cè)氣溶膠、云粒子的具體分布，同時(shí)能進(jìn)行大氣成分、污染環(huán)境氣體的探測(cè)等，對(duì)主要污染源、城市上空污染物的擴(kuò)散等進(jìn)行有效管理。

1.1激光雷達(dá)特點(diǎn)

激光雷達(dá)對(duì)技術(shù)性有嚴(yán)格的要求，涉及到激光光源、激光發(fā)射和接收光學(xué)以及機(jī)械系統(tǒng)等，必須合理應(yīng)用脈沖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。激光雷達(dá)采用脈沖或者連續(xù)波兩種工作形式，探測(cè)方式也分為直接探測(cè)和外部探測(cè)等，通過(guò)發(fā)射一定頻率的激光脈沖，能將短激光脈沖發(fā)射到大氣層，沿著軌跡可以發(fā)現(xiàn)，光逐漸被小粒子散射開(kāi)。反向散射到激光雷達(dá)系統(tǒng)中，被監(jiān)測(cè)器接受，接受信號(hào)后，對(duì)數(shù)據(jù)處理，得到最終結(jié)果。由于光的等速性、時(shí)間和散射器等和距離有關(guān)，沿著空間信息被檢測(cè)后，接受空氣中的粒子和分子后，能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的移動(dòng)，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(dá)分類(lèi)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，激光雷達(dá)的類(lèi)型有很多。在大氣污染和環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中，地基固定式和車(chē)載激光雷達(dá)的呈現(xiàn)出網(wǎng)格化的趨勢(shì)，機(jī)載激光雷達(dá)在發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用效果比較明顯，很多空間激光雷達(dá)執(zhí)行范圍擴(kuò)大。測(cè)量對(duì)象以SO2、NOx和O3等為主，在探測(cè)過(guò)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(fā)展則以半導(dǎo)形式為主，激光器的發(fā)展趨勢(shì)是采用半導(dǎo)體激光器泵浦的全固化激光器。

1.3激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展

近幾年我國(guó)激光雷達(dá)技術(shù)取得突出的進(jìn)步，我國(guó)中科院大氣物理所研制出第一臺(tái)激光雷達(dá)，同時(shí)附帶能見(jiàn)度比較高的YAG雷達(dá)。中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究的激光雷達(dá)，鈉層熒光激光雷達(dá)和拉曼散射激光雷達(dá)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)比較明顯。中科院安徽光機(jī)所的激光雷達(dá)技術(shù)研究取得了突出的成就，已先后研制成功我國(guó)第一臺(tái)測(cè)污激光雷達(dá)即監(jiān)測(cè)乙烯的JC-1激光雷達(dá)、平流層氣溶膠探測(cè)L625激光雷達(dá)、可移動(dòng)雙波長(zhǎng)對(duì)流層和近地層氣溶膠探測(cè)L300激光雷達(dá)、我國(guó)第一臺(tái)平流層臭氧探測(cè)UV-DIAL差分激光雷達(dá)，能實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境屬性的監(jiān)測(cè)[1]。

2大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中激光雷達(dá)技術(shù)的具體應(yīng)用

當(dāng)前我國(guó)激光雷達(dá)技術(shù)在具體檢測(cè)中起到重要的作用，在具體應(yīng)用過(guò)程中建立了雷達(dá)觀測(cè)站，激光雷達(dá)在國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)比較明顯，如何將其應(yīng)用到大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中成為重點(diǎn)。以下將對(duì)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中激光雷達(dá)技術(shù)的具體應(yīng)用進(jìn)行分析。

2.1氣溶膠和邊界層的探測(cè)

在諸多大氣環(huán)境影響因素中，氣候是主導(dǎo)因素，云和氣溶膠是兩個(gè)重要但是不能確定的影響因子，氣溶膠通過(guò)吸收和散射太陽(yáng)輻射以及地球的長(zhǎng)波輻射后對(duì)大氣系統(tǒng)產(chǎn)生影響。云層對(duì)大氣輻射平衡影響較大，對(duì)于系統(tǒng)本身而言，云不僅僅是指示器，同時(shí)也是調(diào)節(jié)器，云在氣候變化中起到重要的作用，根據(jù)邊界層的參數(shù)設(shè)定要求可知，如果準(zhǔn)確確定高度和準(zhǔn)確度是張洪點(diǎn)，在實(shí)施過(guò)程中要了解傳輸模式和污染物的系數(shù)。在各項(xiàng)指標(biāo)確定的過(guò)程中，利用激光雷達(dá)能實(shí)現(xiàn)對(duì)云和氣溶膠的處理，在實(shí)踐過(guò)程采用Mie散射，包括共振熒光、偏振等，為了實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的探測(cè)，要對(duì)消光系數(shù)、后向散射系數(shù)等進(jìn)行處理，了解結(jié)構(gòu)特征，并對(duì)各類(lèi)特征進(jìn)行分析[2]。

2.2溫度的探測(cè)

溫度是一個(gè)重要的氣象參量，大氣溫度對(duì)海洋、大氣物理和天氣預(yù)報(bào)等起到重要的作用，根據(jù)現(xiàn)有溫度檢測(cè)形式可知，充分利用高分辨率的激光雷達(dá)，能得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。拉曼激光雷達(dá)也可以應(yīng)用到溫度探測(cè)中，該方案分為振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩種，可以充分利用N2和O2分子，以轉(zhuǎn)動(dòng)譜線強(qiáng)度和溫度關(guān)系測(cè)量為基礎(chǔ)，可以采用雙波長(zhǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射原理實(shí)現(xiàn)大氣溫度的探查[3]。

2.3能見(jiàn)度的監(jiān)測(cè)

能見(jiàn)度的好壞直接反應(yīng)區(qū)域大氣環(huán)境的質(zhì)量，同時(shí)和人們的日常生活存在一定的聯(lián)系，尤其是海陸空交通容易受到制約。如果能見(jiàn)度比較低，則直接給人們帶來(lái)諸多不良影響，因此探究大氣環(huán)境質(zhì)量，了解能見(jiàn)度是關(guān)鍵。在能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)過(guò)程中采用激光雷達(dá)技術(shù)，能直接探測(cè)激光和雷達(dá)的相互關(guān)系，根據(jù)大氣能見(jiàn)度的具體要求可知，為了準(zhǔn)確反應(yīng)大氣對(duì)傳輸?shù)乃p作用，需要將其作為重要手段，按照能見(jiàn)度和傾斜程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。水平能見(jiàn)度在大氣環(huán)境均勻的條件下可見(jiàn)度比較高，根據(jù)現(xiàn)有原理和消光系數(shù)要求可知，克服其他不良因素的影響，能滿(mǎn)足具體要求[4]。

2.4風(fēng)的探測(cè)

風(fēng)速是氣候?qū)W研究的重點(diǎn)所在，也是大氣環(huán)境中污染物輸送的重要參數(shù)，大氣中風(fēng)速的測(cè)量對(duì)全球氣候有一定的積極影響，提升數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的精度是重點(diǎn)所在。在局部區(qū)域檢查過(guò)程中，要了解技術(shù)要點(diǎn)和重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)直接檢測(cè)。地基相干系統(tǒng)逐漸成熟，其整體上對(duì)發(fā)射激光有嚴(yán)格的要求，考慮到發(fā)射、接收光學(xué)系統(tǒng)等變化，要做好邊界層的風(fēng)速測(cè)量工作，非相干檢測(cè)技術(shù)受到廣泛的重視，根據(jù)邊緣檢測(cè)系統(tǒng)的具體要求可知，做好大風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量是關(guān)鍵。利用單邊緣檢測(cè)技術(shù)測(cè)量風(fēng)速時(shí)，要了解氣溶膠和分子散射點(diǎn)，兼顧到大氣風(fēng)速測(cè)量類(lèi)型，為了提升風(fēng)速實(shí)現(xiàn)靈敏度檢測(cè)，必須合理應(yīng)用檢測(cè)技術(shù)[5]。

2.5大氣成分的檢測(cè)

大氣成分的檢測(cè)對(duì)制定環(huán)境保護(hù)方針有重要的作用，以差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)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(jìn)行預(yù)設(shè)。該系統(tǒng)在大氣成分測(cè)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(dá)測(cè)量原理作為基礎(chǔ)，要做好物質(zhì)吸收線測(cè)量工作，另外波長(zhǎng)調(diào)到線上，以高重復(fù)頻率將這兩種波長(zhǎng)的光交替發(fā)射至大氣中。此時(shí)由于激光雷達(dá)所測(cè)量到的這兩種波長(zhǎng)光信號(hào)衰減差是待測(cè)對(duì)象的吸收所致，因此通過(guò)數(shù)據(jù)分析，便可得到待測(cè)對(duì)象的濃度分布，從而達(dá)到測(cè)量目的。

2.6水汽探測(cè)

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(duì)天氣和氣候等有重要的影響，同時(shí)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(yáng)輻射能，使其成為平衡地氣系統(tǒng)輻射收支的一個(gè)重要因素。水汽的重要因素和具體分布會(huì)產(chǎn)生一定的影響，利用Ranan光譜技術(shù)探測(cè)大氣中水汽垂直分布情況，激光雷達(dá)探測(cè)水汽能力逐漸提升，在具體監(jiān)測(cè)中起到重要的作用，根據(jù)空間和時(shí)間分辨率要求，嚴(yán)格按照測(cè)量精準(zhǔn)度實(shí)施，根據(jù)結(jié)構(gòu)和時(shí)間變化對(duì)技術(shù)進(jìn)行處理。激光雷達(dá)在探測(cè)水汽的高度、空間和時(shí)間分辨率、測(cè)量精度上都得到了迅速發(fā)展，顯示了它在捕獲水汽的空間結(jié)構(gòu)和隨時(shí)間變化特征等方面具有優(yōu)越的能力。

3結(jié)束語(yǔ)

近些年來(lái)我國(guó)激光雷達(dá)技術(shù)取得了突出的成就，朝著精細(xì)化和定量化的方向發(fā)展，為了保證技術(shù)應(yīng)用的合理性，要突出技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，嚴(yán)格按照檢測(cè)要求落實(shí)，進(jìn)而促進(jìn)該技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中的合理化應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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作者：姜杰；郭燕鴻 單位：貴州省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站