激光雷达在气象和大气环境监测中的应
用探讨
摘要：在科学技术持续发展的时代背景下，诞生了许多先进且实用性强的仪
器设备，而激光雷达便为其一，此设备凭借实时预警、跟踪等功能，在气象与大
气环境监测中得到广泛化应用。
本文围绕激光雷达的基本结构与分类，从多方面
剖析其在气象与大气环境监测当中的实际应用情况，望能为此领域应用研究提供
一些参考。
关键词：气象；大气环境；激光雷达
激光雷达实为一种具有主动式特点的光学遥感设备，乃是多种技术紧密融合
后而形成的产物，如现代激光技术、传统雷达技术等；需要指出的是，激光雷达
将激光当作光源，借助辐射信号（由目标物与探测激光彼此作用而产生）来对目
标物进行遥感。
激光雷达较之传统的微波雷达，因所用的为激光束，因而有着更
高的工作频率，且还具有分辨率高、低空探测性能好、抗干扰能力强、方向性强、质量轻及单色性好、体积小等优点。
所以在多领域高精度遥感探测中得到不错应用，比如导航、环境监测、通信及定位等，尤其是在气象要素测量、大气环境监
测等方面，更具优势。
本文就其具体应用探讨如下。
1.激光雷达的基本结构分析
从基础层面来分析，激光雷达系统主要由3部分构成，其一为激光发射，其
二是接收、采集回波信号，其三为控制。
当激光束与大气物质之间发生相互作用后，便会产生大量的回波信号，此乃激光雷达实施大气探测的核心所在。
采用激
光雷达对大气环境进行探测的基本原理为：激光器将激光发射出去，当其与大气
当中的气溶胶及多种大气成分之间相互作用后，便会有后向散射信号产生。
针对
探测器所接收的信息（携带着被测物质）通过对其进行分析、处理，便能够获得
所需要的诸如大气密度、速度、消光系数等大气物理要素。
2.激光雷达的种类
（1）依据激光器不同的工作物质，可将激光雷达划分成三种类型，分别是
固体激光雷达、半导体激光雷达与气体激光雷达。
针对气体激光雷达而言，其最
具典型性的为CO
激光雷达，此雷达于红外波段工作，有着比较小的大气传输衰
2
减率，并且还有着较远的探测距离，已被广泛应用于大气风场、环境监测领域中。
对于半导体激光雷达来讲，其所具有的优点为驱动简单、尺寸小及价格低，在云
底高度测量等领域中较好应用。
针对固体激光雷达来分析，其多用作探测大气当
中的有害气体成分及大气气溶胶、能见度、温度廓线等。
（2）依据激光与大气
之间不同的作用方式与探测目的，可将激光雷达划分成多种类型。
①米（Mie）
散射激光雷达。
其实为一种借助米散射机制对低空大气（＜36km）当中的气溶胶
粒子（比如云雾、尘埃等）进行探测的激光雷达类型。
针对Mie散射来讲，其基
本特点即为散射粒子在具体的尺寸上，相近或大于入射激光波长，而在相应的散
射光波长上，则相同于入射光，散射时无光能量方面的交换，实为弹性散射。
②
瑞利激光雷达。
其主要是借助瑞利散射机制，探测中间层大气（高度＞30km）当
中的气温、大气波动、密度情况，需要指出的是，如果激光光束大于粒子半径，
此时，所产生的散射便是瑞利散射。
另外，瑞利散射同样是一种弹性散射，在＞
30km的大气回波多为分子瑞利散射，能够将气溶胶粒子相对应的米散射信号予以
忽略。
③拉曼散射激光雷达。
其通过对水汽、氮气分子对激光的拉曼后向散射回
波型号同时接收，得到水汽混合比相对应的垂直分布；需要强调的是，拉曼散射
实为激光与大气当中多种分子间的一种相互作用且非弹性的过程，其突出特点即
为散射光的具体波长不同于入射光，且移动至长或者短波方向。
此种雷达可以围
绕低空范围内的大气温湿度，开展持续且高时空分辨率的探测，还能用于对环境
当中各种污染气体浓度的测定。
3.激光雷达在气象与大气环境监测当中的实际应用
3.1探测气溶胶和云及边界层
有学者深入研究了借助激光雷达探测云量、云高、边界层性质及仪器对云和
气溶胶的光学性质等，还有研究把所探测的结果当作辐射传输模式的输入，或者
借助观测值评估模式结果。
有报道把Mie散射激光雷达工作研究全球气候变化中，
且得出：“人为气溶胶的气候强迫效应实为造成全球气候变化的关键诱因”。
有
研究分别用微脉冲激光雷达、Mie散射雷达等来探测青藏高原、南北极的各地区，且通过反演、探测所得距离平方，对消光系数、散射比、回波信号、退偏振率及
后向散射系数等物理量进行矫正、分析，借此对平流层、对流层的云、气溶胶及
边界层相对应的失控分布等进行研究，深入探讨了此些特征的主要成因。
3.2探测温度
温度实为一项十分关键的气象参量。
大气温度在研究海洋、天气预报、大气
物理等方面，均起到关键性作用。
现阶段，可对大气温度进行探测的激光雷达为
拉曼激光雷达、瑞利散射激光雷达等。
针对瑞利散射激光雷达而言，其所具有的
优点为时空分辨率好、探测灵敏度高等，另外，还能借助瑞利散射机制（激光与
大气分子之间），产生高质量的雷达回波，无大气探测盲区。
但有研究指出，在
高度＜30km的大气中，因存在气溶胶，会对测量大气分子瑞利散射造成干扰，所
以此雷达不适于低空测量。
拉曼激光雷达有转动、振动之分，对于振动拉曼散射
回波来讲，其能够在对流层中上部的大气温度情况进行探测，而针对转动拉曼散
射激光雷达（RRL）而言，其则借助O
2、N
2
分子相对应的转动谱线强度与温度之间
的关联性，对底层大气的气温进行测量。
3.3探测能见度
激光雷达乃是一种大气探测工具，能够通过对光辐射信号（激光与大气相互作用）进行直接探测，对大气能见度进行定量明确，就激光在大气中的衰减作用准确反映出来，因而可用作测定大气水平能见度。
有学者对此展开了试验研究，发现激光雷达对大气能见度进行探测具有良好的可行性。
但其指出斜程能见度更为复杂，斜程方向上的大气消光系数处于变化状态，且还存在着明显的散射效应情况，较难围绕斜程能见度，获得其普遍解析表达式。
有研究借助激光雷达，联合多仰角探测方法，测量大气斜程积分能见度，其用大气光学厚度对既往的借助大气消光系数分布求解斜程能见度的方式进行替代，较好的将大气多次散射斜程能见度较难准确测定的不足给予克服，使得探测精度得到大幅提高。
4.结语
综上，伴随近年来的不断发展，激光雷达已经成为一种较常用的主动遥感工具，并借助测量精度高、探测跨度大及空间分辨率高等优点，在诸如大气遥感、气候与气象及环境保护等方面得到不错应用。
但需要指出的是，因激光雷达有着非常高的技术难度，在现实应用中仍存在一些不足，如受大气光传输效应的影响（比如光速等），会降低其测量精度，所以不适用于全天候工作等。
因此，伴随应用领域的持续退款，激光雷达技术仍需不断的创新与优化。
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