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

發(fā)布日期：2019-02-25 22:27 瀏覽量：12174

自激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)20世紀(jì)60年代問(wèn)世后迅猛發(fā)展，激光雷達(dá)具有波長(zhǎng)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(cè)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(cè)、城市規(guī)劃、交通通訊、方陣減災(zāi)、資源勘測(cè)和軍事工程等等領(lǐng)域。今日我們主要說(shuō)說(shuō)激光雷達(dá)技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)量目標(biāo)位置( 距離和角度) 、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)( 速度、振動(dòng)和姿態(tài)) 和形狀，探測(cè)、識(shí)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(cè)呢？

這是由于激光雷達(dá)技術(shù)可以測(cè)量氣溶膠、云、能見度、大氣成分、空中風(fēng)場(chǎng)、大氣密度、大氣溫度和濕度的變化，對(duì)城市上空環(huán)境污染物的擴(kuò)散和沙塵暴發(fā)生的過(guò)程等進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。

檢測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為研究氣候變化、天氣預(yù)報(bào)和自然災(zāi)害預(yù)報(bào)，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(cè)中的應(yīng)用

一、氣溶膠及顆粒物的探測(cè)

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(duì)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(duì)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(duì)大氣氣002溶膠進(jìn)行探測(cè)使用的技術(shù)為 Mie 散射相關(guān)探測(cè)技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)的激光探測(cè)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(zhǎng)不發(fā)生變化的彈性散射。

二、大氣臭氧的探測(cè)

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(duì)大氣臭氧進(jìn)行探測(cè)使用的技術(shù)為差分吸收原理，檢測(cè)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(guò)同一光路同時(shí)發(fā)射兩束波長(zhǎng)相近的激光束，由于兩束激光處于同一光路且波長(zhǎng)相近，待測(cè)物質(zhì)對(duì)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(cè)

準(zhǔn)確及時(shí)的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)可以提高長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，提高對(duì)颶風(fēng)等惡劣天氣跟蹤及登陸預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。目前對(duì)大氣風(fēng)速測(cè)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(guò)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(hào)產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)分析和處理這些測(cè)量信息得到高時(shí)空分辨率、高精度的實(shí)時(shí)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

四、大氣溫度、濕度的探測(cè)

溫度對(duì)海洋、天氣分析和預(yù)報(bào)、大氣物理、環(huán)境的研究起到很重要的作用。目前，探測(cè)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(duì)生活環(huán)境質(zhì)量的要求越來(lái)越高，大氣環(huán)境的有效監(jiān)測(cè)和治理自然得到了廣泛關(guān)注，而及時(shí)、準(zhǔn)確、高效的監(jiān)測(cè)是前提。

激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)今后的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)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(hào)采集和處理技術(shù)是提高大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)精度的最直接方法。

2、從單一參數(shù)探測(cè)功能向多參數(shù)探測(cè)功能方向發(fā)展。目前具有多種單一探測(cè)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(cè)成本和提高探測(cè)效率的有效途徑。

3、從單一平臺(tái)向多平臺(tái)相結(jié)合發(fā)展，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高容錯(cuò)糾錯(cuò)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(cè)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(cè)范圍和提高探測(cè)精度。

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