刍谈大气探测中激光雷达的应用

2020-02-15 192 上传者：管理员

摘要：在大气和气象监测中激光雷达起到了首要作用，激光雷达具有体积小、单色性及高方向性的特点。通过分析大气探测中激光雷达的应用，提出在未来的应用及发展中注意的事项及有效的策略。助力激光雷达在大气监测、保护以及未来可持续发展过程的智能化发展。

关键词：
光学
大气探测
应用
微弱信号探测技术
激光雷达
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激光雷达在发展过程中将激光的性能充分发挥出来，结合光学、激光和微弱信号探测技术等，属于进步的光学探测手段。最近几年，激光雷达开始广泛的用在海洋、陆地的探测中。对大气的探测，更多的集中在密度、温度以及成分上。

1、激光雷达探测大气的基本原理

在工作原理上，激光雷达和普通雷达保持一致，主要是从系统发射信号、接收收集的数据，获取大量的数据可以为工作所用。但是两种雷达还存在有一定的差异，普通雷达发射出来的信号是毫米波，激光雷达发射出来的信号是激光束，在波长上前者要比后者长，所以普通的雷达是无法及时的探测出小型目标或者是微型颗粒；激光雷达的波长可以实现对微米两季进行控制，因此激光雷达可以灵活的应用在微粒以及小型目标的探测中。激光雷达在大气探测中的应用是建立在大气中的分子、原子的相互作用上的。物理过程主要包括米散射、瑞利散射和荧光散射等。米散射主要是和激光波长差不多的气溶胶粒子带来的散射现象，瑞利散射主要是比激光波长要小的原子或是分子引起的散射情况，入射激光波长和散射谱中心波长一样，同时还可以广泛的用在大气密度和温度的探测中。

2、激光雷达的主要类型

从目前的发展来看，激光雷达包括很多种类型，可以按照激光雷达的结构、接收信号的方式等进行分类。如果按照激光雷达的结构进行分类，可以分成两种，双稳态和单稳态系统激光雷达。双稳态系统的激光雷达为了提升激光发射和接收都会分开设置。不过，现今脉冲属于ns级别的激光就能够保证良好的空间分辨率，所以双稳态系统的激光使用的相对较少。单稳态系统属于单端系统，只需要通过一个光学孔径就可以实现信号的发射和接收，通过发送或者是接收机关实现隔离。从激光雷达工作空间进行划分，分成机载、车载、船载和星载的类型。激光雷达接收信号方式不一样，最终雷达的用途也存在有明显的差别。激光雷达可以用来接收、吸收信号等，进而可以用在很多方面，产生不同类型的激光雷达。包括吸收性、散射型和荧光型激光都是其中重要的组成部分。

3、激光雷达探测大气的主要运用

激光雷达的探测波长短、密度低、定向性强，具有较强的分辨能力以及灵敏度，所以能够探测出微小的物质，不存在探测盲区。激光雷达的优势要比普通雷达大的多，所以应用范围相对较广，在海洋、陆地和大气的探测中已经有了较为广泛的应用，定位、航空、通信等方面应用较广。激光雷达大气探测的具体应用表现为大气污染、大气温度和密度等方面。在对大气和其污染程度进行探测时，需要联系当地的实际情况，合理的选择雷达设备，包括地对空、机载和星载等激光雷达都可以广泛的应用在大气监测中。实际监测中，需要根据监测目标合理的选择雷达类型。米散射主要用来探测空气中的溶胶和悬浮颗粒，气溶胶会造成较多的环境问题，包括酸雨、臭氧层的破坏等都是因为气溶胶引发的，如果能够对气溶胶的情况做好分析工作，就能在一定程度对环境起到保护的作用。激光和大气粒子共同作用之后，米散射存在有微分散射的概率，米色散、瑞利散射和拉曼散射中，米散射的微分散射的概率相对较高。空气中如果漂浮的污染成本比较少，米散射都能够在第一时间及时的检测出来，确定污染物的成分以及含量，具有较强的准确性，能够推动大气的定量化评估，从根本上提升大气监测的准确性，为后续工作的开展提供各类数据的支持。

瑞利散射激光雷达能够将大气中的氟利昂成本有效的检测出来，明确其对大气中臭氧层的破坏程度。因此，瑞利散射激光可以对中层大气中的成分进行检测。拉曼散射主要是激光对物质粒子进行作用，带来的非弹性散射，散射物体的组成影响了入射和散射光子的能量差。拉曼散射较长用于汽车、工厂排放的污染进行检测。最近几年，雷达检测的灵敏度明显提升，能够在城市污染源和大气环境探测中有着较好的应用。差分吸收激光雷达探测的对象是二氧化硫和氧化氮等，能够实时做好差分吸收测量工作，对大气中的灰尘、二氧化硫以及臭氧的分布等有效监测，进而采取有针对性的措施，从根本上为人们的生产和生活创设良好的环境氛围。

4、结语

激光雷达一方面可以满足大气、气候等方面对数据的要求，另一方面，随着各项性能的提升，激光雷达在大气监测、保护以及未来可持续发展过程的重要性愈加凸显出来。目前，激光雷达技术迅猛发展，未来要加强和国外先进国家之间的联系，充分利用他们的技术和经验，寻求技术上的突破和创新，建立起高精细的全球气象监测平台，从根本上提升我国对气象灾害的实时预警，为农业生产的有序开展奠定坚实基础，保障农民的经济利益。

参考文献：

[1]张振振,刘统玉,南钢洋,等.激光雷达在大气探测中的应用研究进展[J].山东科学,2015,28(06):73-80+149.

[2]刘成,谢海军.激光雷达在大气探测中的应用浅析[J].科技创新导报,2012(23):95.

曹春林.激光雷达在大气探测中的应用浅析[J].农家科技:中旬刊,2019(5):203-203.