激光雷达在大气环境监测和气象研究中的应用
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作者:张青松
摘 要：随着科学技术的突飞猛进，我国在大气环境和气象监测中也开始摒弃传统的监测技术，融入新兴的激光雷达监测技术，激光雷达作为一种光学遥感设备，保留了传统技术的优势，融合了新技术的理念，在大气环境监测和气象研究中具有重要作用。基于此，该文首先从激光雷达的结构及其分类入手，旨在对激光雷达在大气环境监测和气象研究中的应用进行分析。
关键词：激光雷达 大气环境监测 气象研究 应用
将激光雷达应用于大气环境监测与气象研究具有重要意义，与传统微波雷达相比，激光雷达具有抗干扰能力强、单色性好、方向性强等优势，非常适用于对大气、海洋等地区的高精度遥感探测。目前，我国激光雷达技术在大气环境监测和气象研究中的应用效果显著。
1 激光雷达的结构及其分类
从整体上看，激光雷达系统主要由激光发射、回波信号接收和采集以及控制几部分组成，激光探测是指通过激光束与大气中的物质进行相互作用，从而形成的回波信号。激光雷达的工作原理是激光雷达通过发射激光束，使之与大气层中的物质产生相互作用，并将相互作用的后向散射信号中所传递的信息加以分析处理，便可得到所需的大气物理要素。
根据工作物质的不同，可以将激光雷达进行不同的分类，大体上可以划分为以下几种：气体、半导体、固体激光雷达，其中CO激光雷达是较为常见的气体激光雷达，其主要工作在大气红外波段，对大气环境的监测具有重要意义。半导体激光雷达具有价格低的优势，极大地节省了大气环境监测的成本。而对于大气中气溶胶、雾以及大气中有害的气体成分的监测主要是固体激光雷达。
根据探测机制的不同，又将激光雷达分为不同的类型，常见的是瑞利—拉曼—米散射激光雷达系统，该发射系统采用532nm波长的激光，通过全反镜垂直向上射入大气，激光雷达回波信号中包含有532nm高层的瑞利散射与522nm低层的米散射信号，以及607nm的拉曼散射信号。具体结构如图1所示。
总之，随着科学技术的突飞猛进，我国在大气环境监测与气象研究的设备进行了更替，在继承和发扬传统微波雷达技术的基础上，融合新技术理念，设计出激光雷达，并将其应用于大气环境监测与气象研究中，取得了一定成效。
2 激光雷达在大气环境监测和气象研究中的应用和发展
2.1 对气溶胶以及边界层的探测
气溶胶对地球的影响主要体现在其吸收和散射太阳辐射，气溶胶对全球气候带来了严重的影响。边界层指的是大气边界层，如何方便、有效、准确地监测边界层的变化，还需借助激光雷达技术，通过激光束使之与边界层中的物质产生相互影响，进而形成一种回波信号，對空气污染物的扩散、传输模式以及污染物预报模式等都具有十分重要的意义。
气溶胶在全球气候的影响因素中扮演着极为重要的角色，但随着近几年全球气象问题的愈加突出，各国开始利用激光雷达技术，纷纷探测大气中气溶胶状态，对黄沙、雾霾、沙尘等方面均进行了较为成功的探索，借助激光雷达技术可以较为便捷地收到反射信号，以实现对气溶胶和边界层的实时监测。在中国，很多地区开展了专门的气溶胶和边界层监测的长效机制，建立了双波长篇振雷达观测网。激光雷达对气溶胶、边界层的测量无论是在高度上，还是垂直跨度上都具有全面的优势，是传统微波雷达技术无法比拟的。
2.2 对温度的探测
温度作为气象中最重要的一个参考量，是天气播报中不可缺少的气象因素。对大气温度的监测同样也需要借助激光雷达来实现，研究显示，目前利用激光雷达进行温度探测的多数是利用瑞利散射，该散射通过全反镜垂直向上射入大气，当然瑞利散射激光雷达不适用于低空测量，因为在30km以下的高度会有大量的气溶胶存在，很大程度上干扰了瑞利散射的测量。除瑞利散射激光雷达外，拉曼激光雷达也可以用于温度的探测，拉曼激光雷达的类型有两种：一种是振动性拉曼激光雷达，另一种是转动型拉曼激光雷达，以上两种拉曼激光雷达都可用于对气象温度的监测。
2.3 对大气能见度的监测
目前常见的能见度探测系统主要是激光雷达，与其他探测技术相比，激光雷达具有不可比拟的优势，激光雷达作为一种新型的大气探测技术，可以通过激光束与大气的相互作用产生的光辐射信号来确定大气能见度，从而更加精确地判定大气的能见度。目前，激光雷达探测技术开始逐步广泛应用于大气能见度监测过程中，以为人们的出行提供便利。
2.4 对风的探测
传统意义上对风的探测主要指风度的大小，不能更加精细化的判定风力值和风向。风力作为气象研究的组成部分，随着激光雷达的问世，风力探测也随之迎来了新技术，风力的大小同样对人们的出行安全带来了极大的影响，飞机、轮船等交通工具受风的影响较大，因此，加强对机场气流、轮船航行路线等地的风力监测至关重要，在传统的风力监测中，深受技术限制，在监测过程中极易受空气湍流的影响，从而影响风力监测，随着新时期新的激光雷达技术的问世，很大程度上克服了技术不足的问题，能够精确地测出风力、风向，对人们出行带来了极大的便利。
综上，为了满足大气环境监测和气象研究，国际激光雷达研究领域近几年来针对大气环境和气象状况，做出了较多分析研究，并在全球范围内大面积建立地基雷达观测网，主要用于对全球大气环境及气象状况进行评估，对突发事件（如台风、地震、洪水灾害等）进行及时监控，及时传达信息，将突发事件预警以最快的传播速度传递给人们，帮助人们抓住生命黄金时期，能够在紧张有效的范围内开启生命防护模式。
3 结语
随着科学技术的不断发展，激光雷达也在不断发展完善的过程中，不断朝着精细化、准确化的方向发展，笔者认为，在大气环境监测与气象研究的领域中，激光雷达的作用不容小觑，并且这一技术一定会得到广泛应用，得到大范围推广，对推动全球大气环境监测系统的平稳运行具有重要意义。
参考文献
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