摘 要 :论述了激光雷达的结构 、分类以及不同种类激光雷达的工作原理 。跟踪激光雷达最新发展和应用 ,根据探测物质
的不同 ,分别讨论了激光雷达在探测气溶胶 、云 、边界层 、温度 、能见度 、风 、大气成分 、水汽和钠层方面的应用 ,综述了目前国外
星载激光雷达的发展和新的应用动态 。进一步讨论了在激光雷达探测中存在的问题和今后的发展趋势 ,认为激光雷达将向多
发射波长相近的两束激光波长 ,其中一个波长正处
于探测气体
的吸
收
线
上
,
记
为
λ on
,
它
被
待
测
气
体
较
强烈吸收 ,另一波长处于待测气体的吸收线的边翼
上或吸收线外
,记为
λ off
,待测气体对它吸收很小或
没有吸收 。由于这两束激光波长相近 ,其他气体分
子和气溶胶对于这两个波长的消光一般情况下基本
相同可以忽略 。两束激光的回波强度的差异只是由
在 30 km 以上中间层大气密度 、大气波动现象及高 层大气气温进行探测 ,当激光光束比粒子半径大得 多时所产生的散射称为瑞利散射 。瑞利散射也是弹
信号接收和采集以及控制三大部分 。激光束与大气 物质相互作用而产生回波信号是大气探测激光雷达 进行大气探测的关键 。激光雷达探测大气环境的工 作原理 :激光器发射的激光通过与大气中的气溶胶
天 、通信 、导航和定位等高新技术领域 。特别是在大 相近或比入射波长更大 ,其散射光波长和入射光相
气环境监测 、气象要素测量等方面显示了其独特的 同 ,散射过程中没有光能量的交换 ,是弹性散射 。瑞
优势和突出的发展前景 。
利 (Rayleigh)激光雷达是利用瑞利散射机制对高度

2 激光雷达的结构和分类 激光雷达系统从整体上可分为激光发射 、回波
性散射 ,在 30 km 以上的大气回波主要是分子瑞利 散射 ,可以忽略气溶胶粒子的米散射信号 ;拉曼 ( Ra2 m an)散射激光雷达根据同时接收的水汽和氮气分子 对激光的 Raman后向散射回波信号获得水汽混合比
及各种大气成分的作用而产生后向散射信号 。对探 的垂直分布 ,拉曼散射是激光与大气中各种分子之
和研究 。同时也可以对其他几种原子和离子进行类
似的探测和研究 ,原子等在吸收入射光后再发射的
光称为荧光 。在共振荧光过程中 ,荧光波长与入射
光波长相等 。由于共振荧光截面比瑞利散射截面大
得多 ,可以利用某些特定的激光波长下原子或分子
发生共振荧光增强的现象来实现辨认大气组分的探
测。
3 激光雷达的应用和发展
第 25卷 第 5期 2009年 10月
气象与环境学报
JOU RNAL O F M ETEO ROLO G Y AND ENV IRONM EN T
V o l. 25 N o. 5 O c tobe r 2009
激光雷达在气象和大气环境监测中的应用
尹青 1, 2, 3 何金海 1 张华 2
(11南京信息工程大学江苏省气象灾害重点实验室 ,江苏 南京 210044; 21中国气象局气候研究开放实验室 , 国家气候中心 ,北京 100081; 31北京军区空军气象中心 ,北京 100061)
1 引言
激光雷达是一种主动式现代光学遥感设备 ,它 是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物 ,它 以激光为光源 ,通过探测激光与目标物相互作用而
具有代表性的是 CO2 激光雷达 ,它工作在红外波段 , 大气传输衰减小 ,探测距离远 ,已经在大气风场和环 境监测方面发挥了很大作用 。半导体激光雷达具有 价格低 、尺寸小和驱动简单的优点 ,可以用于测量云 底高度等 。而固体激光雷达则主要被应用于探测
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
第 5期
尹青等 :激光雷达在气象和大气环境监测中的应用
49
al Absorp tion)激光雷达探测时向大气中的同一光路
国外开展激光雷达探测大气工作比较早 ,目前 已建立了很多激光雷达观测站 。激光雷达在国内的 研究和应用也很迅速 ,早在 20 世纪 60—70 年代 ,中 国科学院大气物理所在周秀骥院士 、赵燕曾研究员 、 呂达仁院士等主持下 ,建立了我国第一台米散射激 光雷达 ,并进行大气气溶胶与云的探测研究 。目前 , 国内已经有许多单位都拥有激光雷达系统并开展了 气象参数与大气环境参数的探测研究 ,如中国科学 院所属的安徽光学精密机械研究所 、上海光学精密 机械研究所 、大气物理研究所和数学与物理研究所 、 中国电子集团第 22 研究所 、中国海洋大学 、武汉大 学 、北京大学 、中国科学技术大学 、西安理工大学 、兰 州大学 、南京信息工程大学以及其他一些气象与环 境研究单位 。此外 ,中国气象科学研究院和中国科 学院空间中心等正计划开展这方面的工作 。本节将 针对被探测物质的不同来分类讨论激光雷达在大气 探测中的应用和发展 。
311 气溶胶和云及边界层的探测 在诸多影响气候变化的因子中 ,云和气溶胶
是两个非常重要但又不确定的影响因子 。气溶胶 通过吸收和散射太阳辐射以及地球的长波辐射而 影响着地球 - 大气系统的辐射收支 ,它作为凝结 核参与云的形成 ,从而对局地 、区域乃至全球的气 候有着重要的影响 [4] ; 云层对大气辐射平衡影响 很大 ,直接影响气候 ,对于天气的变化 ,云不仅是 指示器 ,而且是调节器 ,由于云在气候变化中的重 要作用 ,有关云的研究近年来一直受到高度重视 , 被列为全球变化研究中的优先项目 [5] ; 边界层高 度是大气边界层的重要参数 ,如何方便有效地确 定边界层高度和准确监测其变化过程 ,对空气污 染物的扩散 、传输 模式 以及 污染 物预 报模 式 都 有 十分重要的意义 [6] 。
气溶胶在各种非均匀和光化学反应 、云形成 、降 水及地球辐射平衡中都扮演着重要角色 。目前使用 激光雷达对黄沙 [ 21 ] 、烟 [ 22 ] 、霾 [ 22 ] 、沙尘 [ 23 ] 、生物体燃 烧 [ 24 ] 、火山爆发 [ 25 ]各种类型气溶胶的垂直分布 、时 空变化 、浓度 、传输及微物理和光学性质等方面均进 行了成功探测 。很多地区都已经开始建立雷达观测 网 ,例如在东亚的日本 、韩国 、中国 、蒙古和泰国 5个 国家的 20个地区已经建立双波长偏振雷达观测网 , 用来对云和对流层气溶胶 (矿物尘 、环境污染气溶胶 等 )进行连续观测 [ 26 ] 。而且对气溶胶的监测已经不 仅仅局限在室外 , Ruat等 [ 27 ]利用人眼安全的激光雷 达使用新的方法给出了巴黎地铁站内气溶胶的时空 分布特征 ,这一研究有利于使激光雷达向调查室内 空气 质 量 方 向 的 应 用 发 展 。气 溶 胶 的 光 学 厚 度 (AOD )和云有很强的相关性 ,使用高光谱激光雷达
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
50
气象与环境学报
第 25卷
可以给出云附近和远离云时气溶胶的 AOD、后向散 射系数 、消光系数 、Angstrom 指数的变化规律 ,并且 不受云的三维结构的影响 [ 28 ] 。极地中气层云 PMC ( Polar M esospheric C loud)是指夏季位于高纬度中间 层 82—87 km 高度的一层纳米量级的冰粒薄云 , Kle2 kociuk等 [ 29 ] 利 用 瑞 利 散 射 lidar 和 中 间 层 —平 流 层 —对流层 radar首次给出了 Davis南极洲 ( 6816°S) 的 PMC 和 PM SE ( Polar M esosphere Summer Echoes) 的常规测量 。
国外在 利 用 激 光 雷 达 对 云 和 气 溶 胶 的 光 学 性 质 、云量 、云高 、云与气溶胶的相互影响以及边界层 性质等方面研究的比较深入 [ 7 - 9 ] ,还有学者将测得的 结果作为辐射传输模式的输入 [ 10 ] ,或利用观测值对 模式结果进行评估 [ 11 ] 。Charlson等 [ 12 ]还将 M ie散射 激光雷达用于全球气候变化的研究 ,并通过研究得 出“人为气溶胶的气候强迫效应是导致全球气候变 化的主要原因 ”的结论 。
体 、半导体和固体激光雷达 。气体激光雷达中比较 量环境中某种污染气体的浓度 ;差分吸收 (D ifferenti2
收稿日期 : 2009 - 04 - 02;修订日期 : 2009 - 04 - 21。 基金项目 :科技基础性工作专项重点项目 (2007FY110700)资助 。 作者简介 :尹青 ,女 , 1983年生 ,在读硕士研究生 ,主要从事太阳辐射 、激光雷达等方面的研究 , E2mail: yinqing800@ sohu1com。 通信作者 :张华 , E2mail: huazhang@ cma1gov1cn。
源干扰能力强 ;单色性好 ,方向性强 ;体积小 ,质量轻 激光雷达是一种利用米散射机制探测 30 km 以下低
等 ,因此已经成为目前对大气 、海洋和陆地进行高精 空大气中的尘埃 、云雾等气溶胶粒子的激光雷达 。
度遥感探测的有效手段 ,广泛地应用于环境监测 、航 M ie散射的特点是散射粒子的尺寸与入射激光波长
待测气体分子的吸收所引起的 ,从而根据两个波长
回波强度的差分可以确定待测气体分子的浓度 [ 3 ] ,
它可以用来探测大气湿度和大气污染 ,它被广泛应
用于环境监测中 , 如探测空气中的 O3 、SO2 和 NO2 等 ;多普勒 (Dopp ler)激光雷达利用激光多普勒效应 ,
通过测量散射频率相对于发射激光频率的多普勒频
国内许多学者 [ 13 - 20 ] 对于这方面的研究也取得 了重要进展 ,他们分别使用 M ie 散射 、共振荧光 、偏 振 、微脉冲激光雷达对包括南北极和青藏高原在内 的不同地区进行探测 ,并根据探测及反演得到的距 离平方校 正回 波信 号 、消光 系数 、后 向 散 射 系 数 、 Angstrom 波长指数 、散射比 、退偏振率等物理量来分 析和研究对流层 、平流层的气溶胶 、云以及边界层的 时空分布及结构特征 ,并进一步讨论了这些特征的 成因 。