大气探测激光雷达技术综述

王宣峰 陈闽

摘 要：对于大气探测激光雷达这一技术来说，其自身具有高时空分辨率这一优势，且探测精度也非常高，廓线数据具有一定的连续性，这些优势使其成为大气探测工作中的重要工具，并且其在大气探测工作中能够发挥出重要作用。对激光雷达而言，其可以根据探测技术分为米散射、偏振、拉曼、差分吸收等多种类型的激光雷达，在大气探测中，激光雷达能够对气溶胶、云、水汽以及温度等多个方面的信息予以准确探测，进而为有关工作提供可靠的数据信息。

关键词：大气探测;激光雷达技术;综述

引言：所谓的激光雷达，就是指集“光、机、电、理”为一体的一种主动光学廓线遥感工作，其自身是传统雷达技术与现代激光技术二者相互结合的产物。激光光源本身就具有良好的单色性以及方向性，其自身的相干性以及亮度也都比较高，由于激光光源具备独特的优势，所以被广泛应用到多个研究领域之中。而从激光问世之后，就有科学家提出大气探测激光雷达系统的设想，并且在不断的研究中，促使大气探测激光雷达技术逐渐完善，且被应用于相关科学研究领域中，发挥出重要作用。

一、大气探测激光雷达技术的概述

对于激光雷达系统而言，其自身包括激光发射单元、望远镜接收单元以及相应的控制单元。通过激光器发出脉冲，并射入到大气之中，借此与大气中存在的空气分子、气溶胶以及云等多种物质之间进行相互作用，当其后向散射光被望远镜接受之后，并且经过科学的探测与全面的采集，再进行算法反演就能够获得大气的有关廓线信息。激光在与大气相互作用的过程中，会因为不同大气成分的不同作用机制，产生出不同类型的激光散射，比如，激光与大气风的相互作用会出现相对运动，进而产生出多普勒散射。也因此，大气探测激光雷达在技术层面上，可以分为米散射、偏振、拉曼以及多普勒等多种类型的激光雷达。另外，从运载平台这一层面进行分析，也可以将其分为地基、车载、空载以及星载式等多种类型的激光雷达。激光雷达本身所具有的高时空分辨力及高信噪比这些优势，能够在脉冲激光技术的发展与光电探测器性能提升的过程中发挥出重要作用。而脉冲激光器本身的重复频率、脉宽、以及采集卡的采样频率对激光雷达的高时空分辨的提升有着决定性作用[1]。

二、大气探测激光雷达技术的分类

（一）米散射激光雷达的概述

对于这一类型的技术而言，其在大气探测激光雷达中出现的最早，其自身主要在米散射与瑞利散射的理论基础上形成的。不过，在近距离中，尤其是边界层的范围内，米散射在大气散射中占据着主导地位，其中瑞利散射就比较弱，完全可以忽略。米散射激光雷达通常被应用于探测大气中的气溶胶粒子与云，反演之后则可以获得其后向散射系数。另外，米散射机关雷达自身的回波信号无法将大气的数据信息直接反映出来，还需要相关技术人员借助相应的系统进行反演计算，才能够得出相关目标信息的物理参数。而求解米散射激光雷达的方程通常都会适应Klett法以及Fernald法。Klett这一方法在大气气溶胶浓度较高的区域极为适用，在使用这一方法求解方程时，则可以忽略大气分子的后向散射系统与消光系数。其中Fernald法则站在Klett法的基础上，对大气分子与气溶胶的贡献进行分开考虑，也就是说，要对大气分子的瑞利散射与气溶胶粒子的米散射予以分别考虑，通过反演得出相应的数据信息[2]。

（二）偏振激光雷达的概述

当线偏振光与大气中存在的沙尘或者是冰晶等非球形粒子相互作用时，其后向散射光不仅具有原来线偏振光所具备的平行分量，而且还有与其正交所产生的垂直偏振分量。可以说，偏振激光雷達就是通过对非球形粒子后向散射光的退偏振比的有效探测，对其自身的形态进行科学且深入的研究，通过不断的实践应用，可以得出，偏振激光雷达就是研究卷云与沙尘气溶胶等多种非球形粒子的重要技术手段。另外，在米雷达的基础上，相关科学研究人员在偏振激光雷达的接收系统中加入了检偏棱镜，在具体应用中，激光器发出的线偏振光，会经过望远镜、光光阑之后，由凸透镜对其予以准直，而其中的滤光片则能够对背景噪音进行有效的过滤，当线偏振光经过检偏棱镜之后，其光信号就会分成两个通道，一个通道的方向与发射激光的偏振方向相平行，另一个通道的方向则是与偏振方向相垂直，在此之后，两个通道的光信号分别经过探测与采集，最终进入到相应的计算机处理系统之中[3]。

（三）拉曼激光雷达的概述

当激光照射到大气时，相关后向散射光除了具有弹性散射光信号之外，大气中存在的氮气、氧气以及水汽等多种大气分子也会产生振动与转动现象，最终出现拉曼散射。拉曼散射自身产生的具体原理如下，激光与大气中的相关分子会相互作用，在这一过程中，分子中的电子会对光子进行吸收，并因此达到高能级，而因为分子本身也会出现振动或转动现象，所以电子跃迁不会再回到原来的能级，在这种情况下，产生出来的散射光频率与入射激光的频率则会出现不对等的情况，并且频移量也与分子种类有着密切的关系，这样，拉曼激光雷达就能够对大气温度、水汽密度、气溶胶以及污染物的浓度数据进行科学测量。对于不同气体分子来说，其拉曼频移也存在差异，且不受入射光的影响，只与散射体的能级结构相关，当发射的波长在355nm时，氮气、氧气以及二氧化碳的拉曼波长与拉曼频移量之间就会呈现出正比例关系，含量越多，相关物质的拉曼回波信号就变得越强。相关研究人员可以借助这一特点，将大气中含量相对稳定的氮气的后向回波信号作为参考值，就能够探测中相关气体成分的浓度。

（四）多普勒激光雷达

对于多普勒激光雷达来说，其自身主要是利用光的多普勒效应进行工作的，也就是，通过对激光脉冲大气后向散射回波信号的多普勒频移这一数据信息，对空间内不同高度的风速以及风向分布进行有效反演。若是有风，大气气溶胶粒子与空气分子则会出现相对于激光传输方向的运动情况，而且其相对的运动速度与方向、散射角也会不同，与此同时，回波信号与发射激光频率相比，其多普勒频移也会出现不同。

总结

通过上述分析，科学技术的高速发展，也促使激光雷达技术得以进步，而且这一技术的应用，也开始由夜晚探测逐渐向昼夜连续观测发展，从人工干预渐渐发展成为无人值守的自动化探测，在其不断发展的过程中，技术应用变得更加成熟，操作也变得更加简单方便，更是提高其应用效果。

参考文献：

[1]田晓敏， 刘东， 徐继伟，等. 大气探测激光雷达网络和星载激光雷达技术综述[J]. 大气与环境光学学报， 2018， 013（006）：401-416.

[2]张振振，刘统玉，南钢洋，赵扬，王启武，巨阳. 激光雷达在大气探测中的应用研究进展[J]. 山东科学，2015，28（06）：73-80+149.

[3]肖铃，刘东，王英俭，王珍珠，谢晨波. 大气探测激光雷达自动准直方法综述[J]. 大气与环境光学学报，2016，11（03）：161-171.

（1中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所  河南  洛阳  471000;2空军装备部驻洛阳地区第二军事代表室  河南  洛阳  471000）