激光雷达技术及其在大气环境监测和气象中的应用

贾秋洪 张军

摘要 在经济高速发展的当下，环境保护是人类不可避免的议题，作为环保体系之一的大气环境监测，其重要性也逐渐为人们所知;结合了现代激光技术及传统雷达技术的激光雷达技术以它独特的技术优势在大气环境监测及气象领域的应用中占领一席之地。本文阐述了激光雷达技术的概念、分类、特点等内容，简述了大气环境监测的意义和现状，并综合探讨了激光雷达技术在大气环境监测、气象要素监测中的具体应用情况。

关键词 激光雷达技术;大气环境监测;气象;应用

中图分类号：X830 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2021）04–0061–03

通过大气环境监测得出大气环境污染数据，分析大气污染源头，制定有效的解决方案，可见大气环境监测对提升大气环境至整个环境保护有着不容小窥的作用，但是大气环境监测工作中仍存在一些問题，致使监测工作不能很好地开展。激光技术是继半导体、核能和计算机之后的又一伟大发明，激光雷达技术在此基础上结合激光技术的优势与雷达技术融合形成崭新的技术，在各个领域都有广泛的应用并得到认可，将激光雷达技术投入大气环境监测工作中，无疑是大气环境监测的重大突破。

1 激光雷达技术

1.1 激光雷达技术的概念及分类

激光雷达技术是通过现代激光技术和传统雷达的结合而产生的一项以激光束为信息载体的技术，其主要是利用相位、偏振、振幅以及频率搭载信息[1]。激光雷达技术是由激光发射、回波信号接收、信息采集和控制等结构组成，其工作方式有脉冲和连续波，分为直接探测和外差探测两种方法。首先激光雷达使用激光器向空中发射激光脉冲，通过大气的传播投射到目标物体上，由激光接收机接收其投射到目标物体上的反射和散射信号，再由光电探测器将光信号变为电信号，最后电信号经过回波检测处理分出回波信号与杂波干扰脉冲，并将回波信号放大发送至电子计算机，进而提取信息[2]。通过对这些信息的分析，可以准确探测大气的物理要素。

根据激光雷达技术会用到的半导体、气体及固体这些物质可将激光雷达分为半导体激光雷达、气体激光雷达及固体激光雷达。它们各具优势，半导体激光雷达对比另外两种激光雷达节省成本，有明显的经济优势;而气体激光雷达因CO激光雷达的优势，在大气环境监测中应用最为广泛;面对大气中的雾、气溶胶、有害气体成分时，固体激光雷达技术监测效益最优。

1.2 激光雷达技术的特点

激光雷达的特点很多，因其发射激光束的频率比传统的雷达高出许多级别，这样的频率量变使得激光雷达技术形成质的变革;激光的高亮度性、高单色性、高相干性的特点，使激光雷达拥有较高的距离分辨率、速度分辨率和角分辨率，可以精准测距、精确测速和极速跟踪，对于再细小的颗粒也能进行探测产生回波信号。

激光雷达技术比传统雷达技术具有更多的优势：（1）激光雷达的激光波束比较窄，能够进行多次探测，可以采集大量数据;其激光波长比较短，探测频率高，从而使激光雷达的测量精度达到极高的水平，综上，激光雷达技术具有数据密度大、测量精度高的特点。（2）激光雷达是主动测量式雷达，不与光产生反应，所以它不被时间、太阳高度以及地物阴影所限制，可以全地形且无时无刻获取数据，并且数据精度不被影响。（3）激光雷达的激光波束窄且传播的方向性很好;激光雷达的口径小，只定向接收区域的回波，所以激光雷达拥有强大的隐蔽性和抗干扰性。（4）激光雷达的发射器重量小、体积小，非常轻巧，这一优点使得它可以更加简单高效地作业。

2 大气环境监测的意义与现状

实施大气环境监测可以掌握大气环境的动态，了解大气环境的具体问题，根据这些问题制定出有针对性的方案解决大气污染问题，以促进人类和自然和谐发展[3]。大气环境监测主要对颗粒物、氮氧化物、硫化物、臭氧等进行监测。随着汽车数量的增加、石油和煤炭等燃烧的加剧，颗粒物和SO2等也源源不断的产生，颗粒物的成分相对复杂，除了自身具有很大的危害性，颗粒物与其他物质碰撞极易发生化学反应，增加对人类健康的威胁;此外，还应对SO2、氮氧化物进行重点监测，因为它们遇到雨水便会产生反应形成酸雨，严重危害人类健康和动植物的生命。准确、及时、高效地进行大气环境监测，对提高环境、大气污染治理水平至关重要。

虽然大气环境监测的重要性得到普遍认可，但监测技术的落后仍然是主要问题之一，难以实现对大气的连续监测，从而无法控制数据的准确性。激光雷达技术的出现及应用在一定程度上能有效解决这一难题。

3 激光雷达技术在大气环境和气象要素监测中的应用

3.1 大气成分的监测

3.1.1 对气溶胶及边界层的探测 固体或者液体悬浮于气体中并分散在大气中形成胶体体系称作气溶胶，其在大气中的含量不高，对大气却非常重要[4]。气溶胶能够吸收和散射太阳辐射，直接影响着大气系统的辐射平衡，加上气溶胶能够改变云的光学特性、云的寿命和云量，故而形成直接气候效应和间接气候效应，影响局部区域至全球的气候。大气边界层即靠近地球表面、受地面摩擦阻力影响的大气最底层区域。大气边界层内，风压温湿均有明显的日变化，也正因为受地表及近地层影响较大，气溶胶在该层浓度最高。因此准确有效地研究大气边界层的变化，对空气污染物的扩散、传输模式及污染物预报模式都有十分重要的意义[5]。

激光雷达技术一般采用米散射探测技术来探测大气中的气溶胶，即米散射激光雷达，这种米散射的散射截面较高，所以它的回波信号很强。米散射激光是弹性散射，因为它不进行光能量的交换，当它的激光脉冲发射并进入大气中传播时，与气溶胶相遇，气溶胶会散射和消光其激光脉冲，激光雷达探测到其后向散射光后，再根据米散射激光雷达的方程可以计算出相对应气溶胶的消光系数，进而实现对气溶胶的实时监测。此外，激光雷达在边界层高度、垂直跨度及边界层内污染物和气溶胶的监测上也具有较好的应用。目前，多个国家及地区已经建立双波长偏振雷达观测网，用来对大气气溶胶及边界层进行连续观测[6]。

3.1.2 对反应性气体和温室气体的探测 大气成分中的反应性气体O3、CO、NO、NO2、SO2以及其他氮氧化物等，温室气体CO2、CH4等，会引起一系列大气层环境变化如臭氧洞、温室效应、酸雨等，乃至全球气候变化，进而影响人类生存环境和经济社会的发展。如今对大气中这些气体的监测已得到世界各国的重视，而激光雷达在这方面的优势也日益凸显。

当激光雷达发射的激光进入大气相互产生反应，导致激光被气体分子吸收和被大气分子后向散射，吸收反应它是一个共振过程，能够很好地分辨大气的组成，这种工作机制的激光雷达称作差分吸收激光雷达，差分吸收激光雷达系统能够探测大气中的微量组分，如大气中的臭氧、水汽、二氧化硫和氮氧化物。其原理是发射两种波长不同的光，一个调为待测对象的吸收线，另一个波长调至吸收线上吸收系数较小的位置，随后以高重复频率将它们的光交替发射到大气中，探测出大气分子的吸收系数，根据这两个波长的后向散射回波信号，就可以分析出所测大气分子的浓度分布[7]。如张寅超等[8]利用车载测污激光雷达对北京地区的O3、SO2 、NO2进行了三维空间扫描测量，首次给出了北京市近地面层大气O3、SO2、NO2的激光雷达测量数据[9]。

3.2 气象要素的监测

3.2.1 对风的探测 风是大气科学研究、气候研究最重要、最关键的参量之一，获取准确的天气预报信息、及时跟踪预报恶劣天气需要准确的、及时的风场数据。激光雷达向空气发射激光，测量出激光通过云雾中的灰尘、盐晶体、水滴、生物质燃烧气溶胶等微粒后向散射的回波信号产生的多普勒频移，分析得到的高时空分辨率、高精度的风场数据，采用这种效应的激光雷达称作多普勒激光雷达，它是大气风速测量的常用手段。风对大气环境的影响巨大，风速过大会带来飓风、黄沙，形成雾霾，还会携带大量水汽，带来台风、大雨甚至海啸。应用激光雷达技术能对风向、风速等要素进行全方位实时探测，提高天气预报的准确度，对大气污染防治、气象灾害预测有着积极作用。

3.2.2 对温度的探测 在对大气物理、海洋环境、天气分析和预报的研究中，不可忽视的一项便是温度的探测，温度对各气象研究起着重要作用，是天气播报中不可缺少的气象因素。将激光雷达用于探测温度，大大提高了温度探测的精准度。常使用瑞利散射激光雷达、拉曼达激光雷达对大气温度进行探测。瑞利散射激光探测的特点是时空分辨率高、探测灵敏度高，并且没有探测盲区，但是因为瑞利散射激光是通过全反镜垂直的向上射入大气之中来测量获取温度信息，所有它只适合高空测量，低于30 km的大气对瑞利散射的干扰较多，拉曼激光雷达一般采用振动形式和转动形式对温度进行探测，且都能精准地测量气象温度。

3.2.3 对大气能见度的探测 大气能见度是反映大气透明度的重要指标，它能直接体现大气环境质量的好坏，与人类日常活动有着密切的联系，大气能见度低，会给人们带来许多不便，如对交通的影响，尤其是海陆空交通，极易被大气能见度的好坏所制约，能见度较低时，容易引发较大的、严重的事故[10]。为保障交通安全，大气能见度预测预报的准确度尤为重要，常规的自动气象站只能观测某一特定范围内的能见度，局限性较大，而激光雷达技术通过激光器发射脉冲式激光监测信号能准确地反映出大气的透过率和传输信号的衰减情况，从而监测出大气能见度，使用了光电倍增管的激光雷达检测灵敏度更高，对大气能见度的距离、探测角度和速度分辨率均大幅提升，可以更为准确地探测大气能见度。

4 激光雷达用于温度探测的实例

以纯转动拉曼单支普激光雷达在不同天气状况下对武汉（30.5°N，114.4°E）上空大气温度探测得出温度反演结果为例[11]，分析激光雷达实际应用的意义。

图1a中红线为2016年12月16日19：30～20：30激光雷达累积的温度剖面，黑点线为同一时间武汉气象站点用无线电探空仪探测的温度剖面图。图1b中黑线为一小时累积的温度剖面的统计不确定性，红线为激光雷达和无线电探空仪两者温度结果的绝对偏差。统计不确定性在7.7 km以下为1 K，绝对偏差在6 km以下为1 K。

由图1a可知，当高度在1.0～6.5 km高度范围以内，激光雷达反演得到的温度剖面吻合得非常好，绝对偏差<1 K;图1b可知，當高度在6.5～10 km，温度的偏差值变大为1～3.4 K。当高度在7.7 km以下，温度的不确定度<1 K，高度在4.2 km以下，温度的不确定度为0.5 K。

图2a中的红线为2016年12月17日07：30～08：29激光雷达累积的温度剖面，黑点线为同一时间武汉气象站点用无线电探空仪探测的温度剖面图。图2b中黑线为一小时累积的温度剖面的统计不确定性，红线为激光雷达和无线电探空仪两者温度结果的绝对偏差。统计不确定性在3.9 km以下为1 K，绝对偏差在3.7 km以下为1 K。

图2为白天观测所得的结果。从图中可知激光雷达和无线电探空仪探测的温度剖面曲线大致吻合，当高度在3.9 km以下，温度的不确定度和偏差均<1 K，而在1.2 km处有1.6 K的偏差，可能是由于雷达站点和无线电探空仪距离23 km，两者距离过远的缘故。

图3为2018年1月11日，转动拉曼单支普激光雷达通过观测得来的一整天温度等值线图。1个小时的时间平滑窗，其时间和高度分辨率分别为1 min和30 m。白天观测结果在14：00左右达到2.6 km。

由图3可知，2018年1月11日整天的边界层演化趋势，可见转动拉曼单支普激光雷达能够在晴朗天气候时全天工作。时间在14：00左右天光背景最强时，激光雷达的不确定度可达到2.6 km，绝对偏差低于1 K。

5 结语

如今大气污染问题严重，世界各国对大气污染问题的预防和治理都高度重视，对大气环境监测工作的要求也日趋提高，激光雷达技术在大气环境监测中起到了巨大作用，既提高了监测工作的效率又增加了监测工作的精度质量，在大气环境及气象监测中日益得到广泛应用。目前南京在江宁、浦口、六合分别设激光雷达用以进行气溶胶、水汽、臭氧的观测，开展南京特大城市垂直廓线观测试验应用研究，实现雷达组网的应用，利用新型探测数据开展臭氧污染传输通道定量评估和大气边界层特征分析研究，将激光雷达技术最大化的应用在大气环境监测工作中，并在工作中不断革新激光雷达技术，提升应用水平，使得大气环境监测能够顺利、高效进行。期待激光雷达技术未来能更好地服务于气象灾害防御、大气污染防控、气象预报等工作，为大气环境的改善提供保障。

参考文献

[1] 车昕.激光雷达在大气环境监测和气象中的应用研究[J].化工管理， 2020（26）： 122-123.

[2] 张庚，汪丛.大气环境监测及对城市发展的影响[J].环境与发展， 2018， 30（11）： 144， 147.

[3] 田勋.关于大气污染的环境监测及治理分析[J].农家参谋，2018（13）：198，131.

[4] 蒙庆华，林辉，王革，等.激光雷达工作原理及发展现状[J].现代制造技术与装备， 2019（10）： 155-157.

[5] 贺千山，毛节泰.北京城市大气混合层与气溶胶垂直分布观测研究[J].气象学报， 2005， 63（3）： 374-384.

[6] Sugimoto N. Lidar network observation of tropospheric aerosols[R]. SPIE， 2008.

[7] 姚蓉.提高大气环境监测质量措施的研究[J].皮革制作与环保科技， 2021， 2（2）： 48-50.

[8] 张寅超，胡欢陵，邵石生.北京市大气 SO2、NO2和O3的激光雷达监测实验[J].量子电子学报，2006，23（3）：346-350.

[9] 尹青，何金海，张华.激光雷达在气象和大气环境监测中的应用[J].气象与环境学报， 2009， 25（5）： 48-56.

[10] 姜杰，郭燕鸿.大气环境监测中激光雷达技术的应用[J].低碳世界， 2017（31）： 9-10.

[11] 翁淼.纯转动拉曼单支谱激光雷达的研制及全天时大气温度和气溶胶参数测量[D]. 武汉： 武汉大学， 2018.

责任编辑：黄艳飞