关键词：激光雷达；大气环境；监测
前言
激光雷达因其波长短、方向性好、体积小、分辨率高等优势在军事、科学研究等多个领域都得到了广泛应用，尤其是在大气环境检测中得到了更有效的应用。它能够对大气成分、密度、温湿变化情况进行监测，获取精准的数据信息，为大气预报等各项管理决策工作提供准确的参考依据。
1 Raman激光雷达在大气环境监测中的应用
Raman散射是激光和大气中各分子弹性作用的过程，散射光波长、入射光等都是不一样的，出现了向长短波移动的现象。散射光频率的变化，会随着入射光、作用的分子的差异而不同。通过对该散射光频率、强度光谱图的观察和分析，就可以将大气中分子的信息提取出来。因此， Raman激光雷达能够对大气中某种污染气体浓度分布情况进行测量，接收浓度信息需要用到光谱分析仪[1]。
本次实验用Raman激光雷达监测了机动车尾气成分。其所用到的探测光是波长为337nm的激光。图1为正常大气气体拉曼后向散射及频率不变成分（瑞利及米散射成分）的光谱图。这里所说的拉曼分析指的是散射光谱，该种光谱分析法是在印度科学家C.V.拉曼发现的拉曼散射效益的基础上产生的，对入射光频率各散射光谱加以分析，得出了分子振动、转动等相关的参数信息，其主要是进行分子结构的研究。
在图1中，每个对应一个分支拉曼散射线波长。正常大气成分有氮气、氧气等分子。在得出正常大气环境下的光谱图后，对机动车尾气成分拉曼频移进行分析，以此得到气体的组成。由探测结果能够看出，机动车尾气成分中还有二氧化硫、一氧化氮等有毒有害气体成分。随着激光雷达技术的不断发展，Raman激光雷的应用领域将会更加广泛[2]。
图1 机动车尾气各分子的拉曼光谱图
2 Mie激光雷达在大气环境监测中的应用
Mie激光雷达也可以成为激光阵列距离扫描仪，是将激光当作发射器的遥感探测系统，是微波、毫米波雷达的发展和延伸，其发射出光脉冲，在大气环境中传播，当射线与大气中的粒子、分子相遇之后，就会从各个方向进行折射、反射，这时就出现了散射现象。高度不同，粒子散射波长也存在差异，因此借助光电接收器接受散射光，再分析光谱，就能够得到大气中各高度下各微粒分布情况，从而实现对大气污染物的监测[3]。
在某省环境保护中就用到了Mie激光雷达，监测出了当地7月份三天内大气C元素及湿度变化情况。如图2所示。
图2 某省7月份三天内大气C元素及湿度变化情况
3 多普勒激光雷达在大气环境监测中的应用
该雷达主要是借助激光多普勒效益，通过对散射频率相对于发射激光频率多普勒频移动连对大气风速进行测量，获得风场时空变化情况。设其径向速度是v，当被波长是的激光照射时，多普勒频移是。该式子中正负号是由目标运动方向决定的。当目标和系统运动方向一致时，为正，反之为负。由此我们可以知道，多普勒频移动量和目标运动速度、激光雷达波长有关。若是事先已经选择好了波长，这时，多普勒频移量是由运动速度决定的，可以不考虑目标运动速度[4]。
从其工作原理上看，该种激光雷达和微波雷达并无多大差别，都是将探测信号发射给目标，再接收从目标反射的信号，并同发射信号做对比，经过一系列处理后，流能够获取有关目标的各类信息，如，目标距离、方向、速度等等各项参数信息，以此对飞机等目标加以探测、跟踪。依据探测技术的不同，多普勒激光雷达可以分成相干、直接探测两种体制有关。其中，相干探测是对回波与激光信号间的差频信号进行探测，而直接探测使对接收和发射激光能量信号变化情况进行探测。这两种探测方式相比，相干探测的测探精度更，能够实现某些直接探测技术无法实现的功能。而依据其功能来划分，则可以分成跟踪雷达、流速测量雷达等等几种类型。另外，相干探测激光雷达还可以分成单稳、双稳雷达，在单稳系统中，信号的发送、接受都是用同一个光学孔径，并由开关进行隔离。而双稳系统比单稳系统要多一个光学孔径，即发送信号是用一个光学孔径，接收信号时用一个光学孔径，这时，就不需要用开关来隔离，这是两者的不同之处。
香港某国际机场就用多普勒激光雷达进行了风速的测量。如图3所示。在图中（a）：相干多普勒激光雷达对PPI1。高山气流尾波进行测量；（b）相干多普勒激光雷达对加速间隙流进行测量，用J来表示；（c）相干多普勒激光雷达对PPI4.5。高山气流尾波进行测量；（d）相干多普勒激光雷达对PPI0。西海风、陆地东风交汇波谱进行测量[5]。
图3 香港某机场相干多普勒激光雷达测得的风切变流场
结语
激光雷达借助散射原理实现对大气成分的监测，借助多普效益实现对大气不同高度下风场的监测，该项技术可以对目标进行探测和跟踪，获得准确的目标方位、速度等各类信息，分辨率高、测速范围广、抗干扰性强，在大气环境监测中发挥着非常重要的作用。
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].成都信息工程学院学报,2017,12(08):129-136.
[2]陈士英?,张平贵?,卢俊平.激光雷达技术及其在大气环境监测中的应用[J].内蒙古科技与经济,2018,10(22):321-335.
[3]杨洋?,关荣华?.用于大气环境监测的YAG激光雷达技术的现状与动向[J].红外与激光工程,2017,10(21):324-335.
[4]郑永超,王玉诏?,岳春宇.天基大气环境观测激光雷达技术和应用发展研究[J].成都信息工程学院学报,2018,23(15):132-145.
[5]王振亚,李海洋?激光光谱技术在环境监测中的应用专题系列(Ⅱ)差分吸收光谱技术在大气污染监测中的应用[J].环境工程技术学报,2017,20(05):322-336.
论文作者:王锡臻
论文发表刊物:《科技新时代》2019年5期
论文发表时间:2019/7/24
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