大气环境遥感监测激光雷达技术浅析及应用现状

胡君立

摘 要：传统大气激光雷达和沙氏大气激光雷达作为两种不同的大气激光雷达实现技术路线，实际应用中可依据需求进行科学选择。比如需要与现有大气监测网络激光雷达组网和数据比对分析，优选传统大气激光雷达。而低成本、低维护及近距离高分辨率则会考虑沙氏大气激光雷达。

关键词：传统大气激光雷达 沙氏大气激光雷达 大气环境遥感监测

大气激光雷达是大气环境遥感监测领域重要的监测设备，在大气气溶胶、风速、温度和气体成分探测方面发挥着重要作用。充分利用微波、红外线以及计算机技术等，从而分析大气中的物理机制以及运动规律，这样即可区别大气中不同的信号特征，分析大气各项数据信息的浓度、运动状态、气象要素等。结合大气组成在不同波段下的特点，即可对大气含量水平进行监测。当今遥感技术已经能够分析大气污染情况和污染源;反映植物季节变化规律以及遭到污染的差异，通过植物对大气污染表现的指示性，明确大气污染程度以及范围;以地面采用作为参考数据，结合遥感技术进行综合分析，构建参考数据和实际图像数据的定量关系;采用飞行器承载大气监测传感器，对监测地区进行采样分析，之后对信息数据进行处理。

一、大气激光雷达概述

激光雷达技术作为一种主动光学遥测技术，在大气环境监测领域有着广泛应用，可获取气溶胶消光系数、退偏比、粒径特性和多普勒频移等参数，从而分析大气透过率、污染成分、风速、污染扩散途径等。

大气激光雷达可分为米散射激光雷达、拉曼激光雷达以及高光谱分辨率激光雷达和用于气体成分观测的差分吸收激光雷达、相干测风激光雷达等。国内外的高校科研院所正在不断拓展应用领域。

对于大气激光雷达来说，以实现技术为基础理解商业化产品的性能和特性尤为重要。目前，激光雷达的探测波长由单一波长发展为多波长。激光雷达的载体由地基型发展为车载、船载、机载及星载，广泛应用于探测大气气溶胶、能见度、大气边界层、大气污染气体、水汽、臭氧、大气风场、大气温度和大气密度等。可以预料，激光雷达技术的不断发展，将在大气环境遥感监测领域有着更为广阔的应用前景。

沙氏激光雷达（SLidar）采用连续波光源（如连续波高功率二极管激光器），倾斜CCD/CMOS图像探测器采集满足沙氏成像原理条件的大气后向散射光，以角度分辨的方式获得距离分辨，成功实现距离分辨的大气后向散射信号探测。近几年来，SLidar技术相关的研究工作展示了其在大气环境探测方面的巨大应用潜力，成为传统大气激光雷达技术的补充。

本文将对沙氏激光雷达和传统大气激光雷达进行简单介绍和比较。

二、传统大气激光雷达产品

传统大气激光雷达的基本原理：纳秒级脉冲激光器发射激光，使用同轴或平行轴的大口径望远镜作为后向散射信号的收集装置，采用光电倍增管PMT或雪崩二极管APD作为光信号探测器。为了具有足够大的动态响应范围，通常联合使用高速模拟采样和单光子计数技术。

传统大气激光雷达研究起步较早，国内外研究机构和大学都开展了米散射、拉曼和高光谱分辨率及大气气体等方面的研究，在硬件研发、软件开发及理论算法分析等方面取得了显著的阶段性成果，实现了地基、车载、机载甚至星载应用。国内安徽蓝盾、无锡中科光电及北京怡孚和融等公司均推出了商业化产品，如气溶胶激光雷达、臭氧激光雷达和拉曼水汽激光雷达等。但是设备价格较贵、体积较大、设计和维护成本居高不下，限制了大气环境监测领域的应用和推广。

三、沙氏大气激光雷达产品

沙氏大气激光雷达基于沙氏成像原理：成像系统，物面与透镜不平行时，只要像面、物面和透镜各自所在的平面相交于同一条直线，则成像清晰，且理论上景深无穷远。采用大口径望远镜，则具有大范围清晰成像的理论优势。

沙氏大气激光雷达采用连续输出激光器作为光源，以倾斜的CCD/CMOS面阵探测大气后向散射信号，依据沙氏成像原理，以角度分辨的方式获取距离分辨。沙氏大气激光雷达技术研究起步较迟，瑞典隆德大学和大连理工大学等研究人员开展了大气气溶胶和气体探测的技术和应用研究。大气气溶胶探测方面，论证了沙氏大气激光雷达开展大气气溶胶消光系数的可行性，分析了性能指标，初步建立数据反演方法。大气气体探测方面，论证了O分布测量的可行性，实现了NO浓度分布探测。商业化产品现有天测（北京）遥感科技有限公司基于沙氏成像原理的“大气颗粒物层析仪”。

四、结语

大气激光雷达是大气环境遥感监测领域重要的监测设备，在大气气溶胶、风速、温度和气體成分探测方面发挥着重要作用。传统大气激光雷达是以脉冲激光为光源、望远镜同轴或平行轴接收信号、光电探测器完成光电转换;沙氏大气激光雷达是近年来发展的一项新型大气激光雷达技术，以连续激光作为光源、望远镜倾斜接收光信号、CCD相机作为探测器。本文对两者进行介绍和比较，旨在为大气环境监测方面提供产品选择和应用分析参考。

参考文献

[1]谢文波.环境遥感监测技术的应用与发展趋势[J].科技创新与应用，2015，24（26）：139—141.

[2]王琳，原凌飞.遥感技术在环境监测中的有效应用[J].科技风，2018，（34）：129.

[3]赵梓梁.研究环境遥感监测技术的应用与发展[J].资源节约与环保，2016，（4）：107—108.

[4]陈琳，王浩.遥感技术在我国环境监测中应用现状及展望[J].科技资讯，2007，（18）：14—15.