激光雷達(dá)技術(shù)為什么能用于大氣環(huán)境監(jiān)測?

發(fā)布日期：2019-02-25 22:27 瀏覽量：12177

自激光雷達(dá)測繪技術(shù)20世紀(jì)60年代問世后迅猛發(fā)展，激光雷達(dá)具有波長短、方向性強(qiáng)、單色性好、抗干擾性高和體積小等特點(diǎn)，能夠在應(yīng)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(yīng)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(zāi)、資源勘測和軍事工程等等領(lǐng)域。今日我們主要說說激光雷達(dá)技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測方面發(fā)揮的重要作用。

激光雷達(dá)是什么？

激光雷達(dá)是傳統(tǒng)的雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其工作在紅外和可見光波段。激光雷達(dá)的作用是能精確測量目標(biāo)位置( 距離和角度) 、運(yùn)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(biāo)。

激光雷達(dá)技術(shù)為什么能用于大氣環(huán)境監(jiān)測呢？

這是由于激光雷達(dá)技術(shù)可以測量氣溶膠、云、能見度、大氣成分、空中風(fēng)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(kuò)散和沙塵暴發(fā)生的過程等進(jìn)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(yù)報和自然災(zāi)害預(yù)報，建立正確的大氣模型提供了有力依據(jù)。

激光雷達(dá)技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)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(jié)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(zhì)點(diǎn)分散并懸浮在氣體介質(zhì)中形成的膠體分散體系。對大氣氣002溶膠進(jìn)行探測使用的技術(shù)為 Mie 散射相關(guān)探測技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)的激光探測雷達(dá)稱為 Mie 散射激光雷達(dá)。

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(jìn)行探測使用的技術(shù)為差分吸收原理，檢測大氣臭氧的激光雷達(dá)稱為大氣差分吸收激光雷達(dá)。

大氣差分吸收激光雷達(dá)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(zhì)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(dá)的抗干擾特性。

三、大氣風(fēng)速的探測

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

多普勒激光雷達(dá)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(zhì)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(jìn)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(fēng)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(yù)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(dá)有瑞利散射激光雷達(dá)、高光譜分辨率激光雷達(dá)和拉曼激光雷達(dá)。

隨著人們對生活環(huán)境質(zhì)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(guān)注，而及時、準(zhǔn)確、高效的監(jiān)測是前提。

激光雷達(dá)探測技術(shù)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(dá)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，主要指激光雷達(dá)系統(tǒng)中的硬件部分。創(chuàng)新和發(fā)展激光光源技術(shù)、發(fā)射和接收技術(shù)、信號采集和處理技術(shù)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(dá)技術(shù)，利用理論模型將多種技術(shù)進(jìn)行有機(jī)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(jié)合發(fā)展，優(yōu)勢互補(bǔ)，提高容錯糾錯能力，如將傳統(tǒng)的地基激光雷達(dá)與星載激光雷達(dá)探測手段相結(jié)合，建立相關(guān)的數(shù)據(jù)模型，從而擴(kuò)大探測范圍和提高探測精度。

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