收稿日期： 2014-03-24 基金项目： 国家自然科学基金项目（11104201）；天津大学光电信息技术教育重点实验室开放基金. 作者简介： 姚 欢（1990—），女，硕士研究生；倪晓昌（1974—），男，教授，硕士生导师，研究方向为飞秒激光技术应用及光信号检测技术.
第3期
姚 欢，等：大气激光雷达技术的研究进展
激光雷达诞生于 20 世纪 60 年代，自其诞生以 来，激光凭借高亮度性、高单色性、高相干性和高方向 性等特点获得了飞速的发展[1]。激光问世后的第 2 年， 科学家就提出了激光雷达系统的设想[2]。测距技术是 激光雷达最原始的应用，经过 50 多年的发展，激光雷 达现已用于跟踪、扫描成像、多普勒成像等多领域中， 并且随着激光雷达应用领域的不断扩展，激光雷达已 发展成为一类集多种功能于一体的系统[2]。与微波雷 达相比，激光雷达的波长很短，两者相差 3 个数量级， 且激光的单色性好，故呈现出较强的抗干扰能力和较 高的分辨率，这也是激光在各领域中能广泛应用的重 要原因之一[3]。其应用领域涉及军事、医学、科学研究 和环境监测等，特别是在大气检测方面显示出了独特 的优势和广阔的发展前景。针对世界各国对大气环境
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space Technology Experience，LITE）；又于 2000 年后发 射了五颗搭载激光雷达仪器的卫星，为地球科学提供 了大量的相关数据[5]。俄罗斯研制了一种远距离地面 的激光雷达毒气报警系统，这一系统是通过对气溶胶 的特性研究获得的，通过对化学毒剂的实时探测，从 而确定毒剂气溶胶云的离地高度、中心厚度以及斜距 离等相关参数，从而为人们提供预警[6]。此外，德国也 研制出了一种可发出 40 个不同频率激光的连续波 CO2 激光雷达，可识别和探测 9~11 μm 波段光谱能量 的化学战剂，可为大气环境的检测提供有效的数据[7]。
目前，在气候研究中应用最广泛激光雷达的是美 国航天航空局于 2006 年 4 月 28 日由德尔塔-Ⅱ火箭 搭载发射成功的 CALIPSO （Cloud-Aerosols Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations） 卫星上的云气溶胶正交偏振激光雷达 CALIOP （Cloud-Aerosols Lidar and Orthogonal Polarization）[12-13]。CALIOP 是一台 偏振敏感双波长激光雷达，系统中的激光器可以分别发 射532 nm 和 1 064 nm 波长的激光作为的输出脉冲，
与此同时，国内对激光雷达的应用和研究也在迅 猛发展，20 世纪六七十年代，中国科学院大气物理所 在周秀骥院士、吕达仁院士、赵燕曾研究员等主持下 成功研制出了我国第一台米散射激光雷达，同时开展 了有关云和气溶胶特性的探测工作[8]。随着激光雷达 在大气检测方面应用的不断发展，目前我国已经建立 了 12 个沙尘暴长期观测站[3]。随着应用的不断扩大， 国内已有许多单位开始运用激光雷达系统进行大气 参数的探测研究，如安徽光学精密机械研究所、中国 海洋大学、中国科学技术大学、上海光学精密机械研 究所、武汉大学、兰州大学等。
Abstract ： Laser is one of the most significant scientific and technological achievements， which was invented in the 1960s. It was produced in the background of full theoretical production and the urgent need in the practical production. And lidar is currently involved in a wide range of applications. This paper just focuses on the application in the atmosphere analysis， which mainly includes the detection of aerosols， clouds and boundary of layer， atmospheric composition， temperature， accuracy of inversion PM2.5 concentration， and so on. At the same time， the related principles and the partial experimental results are shown here and the development trend of future atmospheric lidar is also pointed out. Key words： lidar； atmospheric monitoring； aerosols； atmospheric composition
图 2 和图 3 分别为利用 CALIPSO 2014 年 2 月 9 日与 2 月 15 日，波长为 532 nm 的激光数据测得的天 津地区（以北天津为中心方圆 100 km 半径区域）气溶 原始数据，结合自编品质筛选技术，利用数据中的消 光 QC 标志 （Extinction QC Flag）、云和气溶胶得分 （CAD Score）、 大 气 容 量 描 述 （Atmospheric Volume Description）及其相关不确定性参数，编写 Matlab 程序 进行筛选而获得的大气中气溶胶的平均消光。根据国 家监测点对京津冀地区的空气质量检测结果，2 月 9 日空气质量为优，2 月 15 日为重度污染。从图中可以 看出，2 月 15 日气溶胶平均消光无论从区域还是程度 上都明显大于 2 月 9 日，即 2 月 9 日的空气质量明显 优于 2 月 15 日。一方面，如图 3 所示，2 月 15 日气溶 胶的消光系数在高度约 1.2 km 处达到饱和，低于该高 度时，基本无法探测到相关的气溶胶消光系数，这说 明低空大气污染较为严重，悬浮在空气中的颗粒物将 用于探测的激光能量全部吸收，故探测不到回波信 号。另一方面，图 2 中筛选过的平均消光系数变化范 围基本在 0~0.3 之间，而图 3 中的变化范围基本在 0~ 1.2 之间，即 2 月 15 日的平均消光系数的变化范围约 是 2 月 9 日的 4 倍，故 2 月 9 日的大气状况要优于 2 月 15 日。这都充分说明了 CALIPSO 测量数据与地面 监测站所获得数据的一致性。
摘 要： 激光是 20 世纪 60 年代发明的最重大的科学技术成果之一，它是在有理论准备和生产实践迫切需要的背 景下应运而生的。激光雷达目前涉及的应用领域十分广泛，本文着重介绍了其在大气方面的应用，其中主要包括对 气溶胶、云和边界层的探测，大气成分的探测，温度的探测，反演 PM2.5 浓度的精度等研究。同时介绍了相关的原理， 并给出部分实验测试结果，指出了大气激光雷达的未来发展趋势。 关键词： 激光雷达；大气监测；气溶胶；大气成分 中图分类号： TN958.98 文献标识码： A 文章编号： 2095 － 0926（2014）03 － 0020 － 07
大气传输过程中衰减小，为环境和大气风场的监测工 作做出了很多贡献。
2 云、气溶胶和边界层的探测
气溶胶、云和边界层是影响气候变化的 3 个重要 因素，它们的变化往往会影响到大范围区域内的天气 变化[10]。大气气溶胶系统的作用是复杂的，悬浮于大 气中的微粒的直接相互作用可以将太阳光反射或者 吸收，这些颗粒还可以间接地改变云的性质。对天 气的变化，云层不仅仅可以起到指示的作用，还可以 对其进行调节，此外，地球气候系统的辐射能量收支 也可以通过云经行调控，所以全球气候在很大程度上 会根据云参数的变化而变化[11]。边界层高度的确定与 云、气溶胶特性变化规律同等重要，是大气边界层的 重要参数，所以对于空气污染物的传输模式、扩散以 及污染物预报模式而言，确定边界层并准确掌握其变 化规律是首要任务。
第 24 卷 第 3 期 2014 年 9 月
天津职业技术师范大学学报 JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION
Vol.24 No.3 Sep. 2014
大气激光雷达技术的研究进展
姚 欢，倪晓昌，王 宣
（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222）
Advances in atmospheric lidar technology
YAO Huan， NI Xiao-chang， WANG Xuan
（School of Electronic Engineering， Tianjin University of Technology and Education， Tianjin 300222， China）
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天津职业技术师范大学学报
第 24 卷
532 nm 通道获得的回波信号可以进行正交偏正检测， 从而分辨云的冰相和水相，而气溶胶的尺寸可以通过 两波长之间的后向散射信号差来区分。该激光雷达可 提供 30 m 的垂直分辨率，随着卫星绕地探测，为大气 科学提供了丰富的气溶胶垂直分布和云的特性信息。 CALIOP 是典型的空基激光雷达，由于高空的空气质 量明显高于低空，激光的衰减较小，故在垂直高度上 能测量出更长距离的高空数据。另一方面，随着卫星 围绕地球做周期性的运动，它可以进行全球范围的观 测，包括沙漠、海洋、南北极等其他激光雷达难以观测 到的地区。CALIOP 能够获得高空、远距、长期、季节性 的数据，这为气象监测工作提供更加全面的信息。 CALIOP 的观测结果可以用来作为模式输入，与模式 结果进行比较，以验证模式结果或其他观测工具的观 测结果。CALIOP 在气候研究中的主要应用包括探测 气溶胶的垂直分布和水平特征，诊断云量和云的垂直 分布，计算云和气溶胶的光学特征，估计火灾、火山爆 发、风暴等对气溶胶浓度的影响等，通过这些计算和 分析可了解气溶胶和云的变化规律，从而更加清晰地 认识它们是如何影响气候的[10]。