当前位置:首页 >> 能源/化工 >>

激光雷达技术及其在大气环境监测中的应用


激光雷达技术及其在大气环境监测中的应用
发布日期:2010-11-18 我也要投稿! 作者:网络 阅读: 77 [ 字体选择:大 中 小 ]

摘 要: 文章论述了激光雷达系统的原理、特点、分类、发展现状及其在大气环境监测中的 应用,重点阐述了利用激光雷达对气溶胶、云、大气组分和大气动力学参数等进行实 时、 快速监测的技术以及其中的各种机制,包括 M

ie 散射、Rayleigh 散射、Raman 散射、多 普 勒、差分吸收机制等。? 关键词:激光雷达;监测;大气环境? 中图分类号:TN959.3 文献标识码:A 文章编号: 1007—6921(2010)02—0085—02? 从 20 世纪 60 年代激光雷达问世以来,短短 40 余年中,激光雷达技术得到了飞速的发展。 激 光雷 达由于具有波长短、单色性好、方向性强、相干扰性高和体积小等特点, 因而呈现 出较高的 空 间分辨率、探测灵敏度和抗干扰能力,其应用涉及科学研究、军事工程和国民 经济各个领域 ,特别是在气象探测方面得到了尤为广泛的应用。它可以用来测量气溶胶、 云、能见度、大 气成分、空中风场、大气密度、温度和湿度的变化,对城市上空环境污染 物的扩散、沙尘暴 过程进行有效的监测。精确的实时数据不仅能用于飞行保障,而且能为 研究气候变化、天气 预报和建立正确的大气模型提供依据。? 1 激光雷达的原理、分类及其发展? 激光雷达是传统雷达技术(以微波和毫米波段的电磁波作为载波的雷达)与现代激光技术相 结 合的产物。它是以激光器为辐射源,以光电探测器为接收器件,以光学望远镜为天线的 一种 雷达。该雷达利用激光进行回波测距和定向,并通过位置、径向速度以及目标物体的 反射特 性来识别物体,体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术,是一种极为有效 的主动遥 感工具。激光束发射后,可以在不同的时间接收回波信号。通过某高度段被探测 大气的回波 信号接收时相对于发射激光脉冲的延时 T 和光的速度 c,可换算出该大气回波 产生处到大气探 测激光雷达的直线距离 z,即 z=T· c/2。激光雷达系统主要由激光器、发 射接收天线、光电 探测器、信号处理系统、控制系统与电源 6 部分组成,其系统原理框图 如图 1 所示。

根据激光雷达工作原理的不同,可以把当前探测大气的激光雷达分为 Mie 散射激光雷达 、 Rayleigh 散射激光雷达、Raman 散射激光雷达、差分吸收激光雷达和共振荧光激光雷达 等 若干种类。 其中 Mie 散射激光雷达主要用于探测 30km 以下低空大气中气溶胶和云雾的 辐射特 性,Rayleigh 散射激光雷达主要用于探测 30km~70km 高空的大气密度和温度 分布,Raman 散 射激 光雷达一般则用于对大气温度、湿度以及一些污染物的测量,差分 吸收激光雷达一般用于测 量大气中臭氧以及其他微量气体,其测量精度比 Raman 散射激 光雷达高出约 3 个数量级,共 振荧光激光雷达一般用于对 80km~110km 高空的一些金 属原子的测量,比如钠原子。? 激光雷达的发展经历了由简单到复杂、由低级到高级的过程。20 世纪 60 年代中期,美国 伯金 艾莫尔 公司研制出第一台 He-Ne 激光跟踪测量雷达,其测距误差为±0.6m,测角 误差为 0.lmrad,并 用于靶场测量。随后以人造卫星测距机的发展最为突出,1969 年就 精确地测出了地球测点与 月球上反射器之间的距离。60 年代后期和 70 年代初期,研制的 重点转向单脉冲激光雷达和 CO ?2 激光雷达。 1968 年, Raytheon 研制出第一台 CO?2 相干激光雷达。1970 年,西尔瓦尼亚公 司研 制成第一台 YAG 单脉冲激光雷达,其测距 误差为士 0.15m ,测角误差为 0.1 mrad, 年后又研 制了改进型 YAG 单脉冲激光雷达。 10 80 年代后期,随着二极管阵列的出现和二极管泵浦固体激 光器的出现,半导体激光雷达、 固体激光雷达和 CO?2 激光雷达齐头并进,在各自的领域内 蓬 勃发展。1992 年,美国 科学与工程设备公司开发了二极管激光泵浦固态激光器微脉冲激光雷 达,在此基础上又开 发了这种光源的差分吸收激光雷达、 拉曼散射激光雷达、 多普勒激光雷 达和生物激光雷达。 1994 年~1995 年,ESA 进行了 LMD 脉冲相干多普勒雷达风速实验,并对测 风 雷达的 性能进行了初步的研究。 1994 年 9 月 9 日载有米散射激光雷达 LITE 的“发现号”航天飞 机 成功发射,进行了空间激光雷达技术实验。LITE 是人类第一次实现了空基激光雷达对大气 的探测, 是激光雷达发展史上具有划时代意义的里程碑。 它开辟了激光雷达大气探测的新纪 元。这些成果都标志着激光雷达的发展进入了实用化、商品化的新阶段,随着其关键技术和 系统技术的长足进步,展示了它在军事上和国民经济中的广泛应用前景。? 我国的大气探测激光雷达从研制开发到投入使用前后共用了 30 多年的时间, 所取得的成绩 获得了国际相关领域同行的认可。 1965 年中科院大气物理所研制了我国第一台探测大气气

溶 胶的激光雷达系统,该系统采用红宝石激光器作为激光发射单元,并且能够用于水汽、 云和 大气臭氧方面的探测。以后的几年中该所又研制了用于测量大气气溶胶消光及大气斜 程能见 度的米散射激光雷达以及大型多波长激光雷达系统,这对于高对流层和平流层大气 气溶胶以 及平流层臭氧的探测是非常必要的。? 中科院安徽光学精密机械研究所在激光大气探测研究中取得的成果也是非常显著的。该 所 于 1991 年建立了当时我国最大 L625 激光雷达系统, 用于探测平流层气溶胶分布, 该激光 雷 达系统被美国国家宇航局(NASA)选为全球 10 个激光雷达站之一, 参与联合观测菲律宾 Mt.Pin atubo 火山爆发所产生的火山灰气溶胶粒子,1994 年美国 NASA 利用“发现号”航 天飞机进行 的空基激光雷达技术实验中,L625 激光雷达又被选中作对比分析使用。1993 年底安徽光机所 研制成功我国第一台探测平流层臭氧的紫外差分吸收激光雷达;1995 年 研制出可移动式双波 长米散射 L300 激光雷达,用于对流层气溶胶、云和水平大气能见度 的观测,并取得了高水平 的理论研究成果;2004 年研制出车载式拉曼—米散射激光雷达、 偏振—米散射激光雷达和多 普 勒测风激光雷达; 这些激光雷达系统的相继投入使用, 为我 国大气气溶胶、云和臭氧空间垂 直分布的测量积累了丰富而宝贵的资料,引起了世界各国 的普遍重视。? 2 激光雷达在大气环境监测中的应用? 2.1 气溶胶和云的探测? 气溶胶是指液体或固体微粒均匀散布在大气中形成的相对稳定的悬浮体系。它在大气中 的 含量虽然很低, 却扮演着十分重要的角色。 大气中的气溶胶粒子既可以通过吸收和散射太 阳 辐射来直接扰动地——气系统的辐射平衡, 产生所谓的直接气候效应, 这种影响与其本身 粒 子的化学成分、粒子谱分布和粒子形状有关。同时,它又可以作为云的凝结核影响云的光学 特性、云量以及云的寿命,产生所谓的间接气候效应(即太阳反射效应和红外温室效应)。 这两种不确定性效应对局地、区域乃至全球的气候都会产生重要的影响。因此,准确地了解 大气气溶胶的物理、化学特性及其时、空平均分布具有十分重要的意义。? 用于探测大气气溶胶和云的激光雷达技术主要是米散射探测技术, 使用这种技术的激光雷达 被称为米散射激光雷达。 Mie 散射的特点是散射粒子的尺寸与入射激光波长相近或比入射激 光波长更大,其散射光波长和入射光相同,散射过程中没有光能量的交换,是弹性散射。相 对其他的光散射机制而言,Mie 散射的散射截面最高,因此 Mie 散射激光雷达的回波信号 通常 较强。当一个激光脉冲发射到大气中时,在传播路径上激光脉冲被大气气溶胶粒子和 云粒子 散射和消光,不同高度(距离)的后向散射光的强弱与此高度(距离)的大气气溶胶粒 子和云粒 子的散射特性有关,其后向散射光可由激光雷达探测到,通过求解米散射激光雷 达方程就能 够反演相对应高度(距离)的大气气溶胶粒子和云粒子的消光系数。? 国外在利用 Mie 散射激光雷达研究云的光学性质、云高以及云与气溶胶的相互影响等方面 做 的比较深入,相关学者将 Mie 散射激光雷达探测与大涡模拟作了对比。还有专家把 Mie

散射激 光雷达在监测气溶胶的过程中测得的一些大气参数作为辐射传输模式的输入,并将 所建立的 模型用于全球气候变化的研究,研究认为人为气溶胶的气候强迫效应是导致全球 气候变化的 一个主要原因。? 2.2 大气组分的探测? Raman 散射是激光与大气中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程, 其最大的特点是散 射 光的波长和入射光不同,产生了向长波或短波方向的移动,而且散射光波长移动的数值 与散 射分子的种类密切相关。Raman 散射波长的移动量与散射分子能级的能量差是一一 对应的, 而分子能级的能量差是不同种类分子的内部固有特征。因此,从散射波长相对于 入射波长的 移动量,就可确定参与散射的分子种类。这样利用 Raman 散射就可实现对大 气组分的辨认性探测。


相关文章:
激光雷达技术在气象中的应用
在大气环境污染观测中有关风速、气温、湿 度等气象要素是不可缺少的重要参数, 所以可以将激光雷达技术在气象中的应用 按其要素分为在大气温度检测中的应用、在...
大气质量环境监测系统方案
在国内采用此类设备的空气自动监测系统即为 DOAS 大气环境质量监 测系统,与第一...激光光源进行监测,但目前尚处于试 验阶段, 而且激光雷达技术在环境监测中的应用...
...中的应用 ——遥感技术在大气环境监测中的应用
遥感在环境科学中的应用 ——遥感技术在大气环境监测中的应用_环境科学/食品科学...用于大气监测的遥感技 术种类较多,一般有相关光谱技术[5]、激光雷达技术及热...
激光在环境保护中的应用
中科院安徽光机所的激光雷达技术研究取得了突出的成就, 已先后研制成功我国第一...参考文献: [1]杨义彬.激光雷达技术的发展及其在大气环境监测中的应用[J].成都...
谈激光雷达在大气探测中的运用
我国也研制出红宝石激光雷达,并且从 1970 年开始,利用激光技术,卓 有成效地...风 向及大气中水蒸气的浓度的,以达到对大气环境进行监测及对暴风雨、沙尘暴等...
激光雷达的应用
(3) 激光雷达技术的发展及其在大气环境监测中的应用 激光雷达由于探测波长短、波束定向性强,能量密度高,因此具有高空间分辨率、高的 探测灵敏度、 能分辨被探测...
激光技术的应用研究进展
在地形测绘中,三维激光扫描仪及后处理软件,只经过简 单的几个步骤就可以轻松获取高比例尺的地形图。[2] 1.2.2 激光雷达技术在大气环境监测中的应用 用于探测...
遥感技术在环境污染监测中的应用
遥感技术在环境污染监测中的应用_能源/化工_工程科技_专业资料。到污染物运移的...大气遥感器分为主动式和被动式,主动方式中 有代表性的遥感器是激光雷达,被动式...
遥感技术在环境监测中的应用
本文综述了遥感技术在海洋监测、 大气监测和土地覆盖利用变化 监测中的应用研究...范一大等[3 胡顺星,胡欢陵,周军. 差分吸收激光雷达测量对流层臭氧[J ] . ...
激光雷达应用
激光雷达应用_物理_自然科学_专业资料。光电传感技术...关键词:激光,雷达,环境检测 引言 激光雷达是以发射...原理 激光雷达探测大气的基本原理即是上述几种激光...
更多相关标签:
环境监测激光雷达 | 大气激光雷达 | 大气臭氧探测激光雷达 | 大气颗粒物激光雷达 | 大气探测激光雷达 | 激光雷达 大气污染 | 激光雷达边坡监测分析 | 激光雷达监测 |