□李 雪

激光雷達(dá)的早期應(yīng)用主要是精密測(cè)距。例如，用激光雷達(dá)測(cè)量地球上一點(diǎn)到月球的距離，測(cè)量精度能達(dá)到幾厘米。利用地面激光雷達(dá)對(duì)衛(wèi)星合作目標(biāo)的精密測(cè)距和跟蹤，可進(jìn)行地震預(yù)報(bào)。為此，可把一個(gè)帶有后向反射器的衛(wèi)星發(fā)射到5，900 公里高的軌道上，激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)可以測(cè)出地球表面上數(shù)厘米的位移。小型激光雷達(dá)可用作距離的精密測(cè)量?jī)x器。激光雷達(dá)系統(tǒng)可以從地面、飛機(jī)、船艦和空間平臺(tái)上對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精密跟蹤。例如，用于兩個(gè)宇宙飛船交會(huì)、對(duì)接、分離、位置保持和監(jiān)視。此外，激光雷達(dá)也可應(yīng)用于空中交通管制、氣象預(yù)報(bào)以及土地測(cè)繪等方面。激光雷達(dá)在目標(biāo)成像和目標(biāo)識(shí)別方面的應(yīng)用日益受到重視。激光雷達(dá)成像系統(tǒng)可以提供高分辨率的圖像。激光雷達(dá)可以作為大氣檢測(cè)的工具，它有很多用途，一來(lái)可以遙測(cè)大氣中的污染和毒劑，二來(lái)可以對(duì)大氣的風(fēng)速、溫度、能見(jiàn)度及云層高度等進(jìn)行測(cè)量。激光遙感技術(shù)的應(yīng)用，為大氣檢測(cè)提供了很重要的技術(shù)支持。

一、激光雷達(dá)測(cè)量大氣溫度

大氣溫度的測(cè)量，通常是以探空氣球來(lái)進(jìn)行量測(cè)，范圍大約是從地表到三十公里，或是使用探空火箭與衛(wèi)星來(lái)對(duì)更高的高度做溫度測(cè)量。近年來(lái)利用激光雷達(dá)技術(shù)也能實(shí)時(shí)測(cè)量大氣溫度的分布。由于是直接量測(cè)自空氣返回的雷射散射光，地面的偵測(cè)裝置可以立即接收到高空(100km 約需600μs)的散射光訊號(hào)。因此雷射可以應(yīng)用在對(duì)大氣的“實(shí)時(shí)遙測(cè)”，其原理就是應(yīng)用雷射在穿透介質(zhì)時(shí)與介質(zhì)的各種作用，觀測(cè)空氣與雷射作用后發(fā)出的訊號(hào)，能提供空氣以及空氣中其它組成分子的許多重要信息，例如空氣的壓力、密度、溫度、濕度、風(fēng)速等等，對(duì)于空氣及地球環(huán)境監(jiān)測(cè)有重要的應(yīng)用價(jià)值。地球大氣中氮?dú)馀c氧氣分子占了絕大多數(shù)，其它的氣體和微粒(aerosol)在大氣中只占了小部分，當(dāng)光的電磁場(chǎng)影響到遠(yuǎn)較光的波長(zhǎng)為小的氣體分子的時(shí)候，介子受光所感生的電偶極輻射稱為Rayleigh 散射。利用Rayleigh 散射量測(cè)溫度的最大的缺點(diǎn)就是低空的限制，這個(gè)限制主要是因?yàn)榈孛娲髿庵械奈⒘?。微粒的大小從?shù)個(gè)到幾百個(gè)微米(μm)不等，相當(dāng)于激光雷達(dá)所使用的雷射光波長(zhǎng)，它受光影響所發(fā)出的輻射為Mie 散射，波長(zhǎng)與Rayleigh 散射相同，但散射截面大1，000 倍，所以微粒的Mie 散射與空氣的Rayleigh散射就混雜在一起而無(wú)法區(qū)分。

既然利用Rayleigh 散射來(lái)測(cè)溫度的方法不適用于低空，因此低空溫度的測(cè)量必須利用其它的方法，例如Raman 散射?？諝夥肿訉⒐馕蘸蠹ぐl(fā)至新的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)，而輻射出該分子特有的振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，這就是Raman 散射光譜的一種。因此選擇特定的波長(zhǎng)范圍作測(cè)量就可以了解某種分子的狀態(tài)與分布。溫度的不同會(huì)影響到分子振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)的分布機(jī)率，所以測(cè)量Raman 散射光譜的強(qiáng)度分布變化就能得到大氣的溫度分布。

二、紫外差分吸收激光雷達(dá)測(cè)量平流層臭氧

在進(jìn)行激光雷達(dá)對(duì)大氣水汽空間分布測(cè)量時(shí)，Schotland提出了差分吸收激光雷達(dá)的基本概念。兩束激光(波長(zhǎng)極為相近)，由DIAL 激光雷達(dá)發(fā)射出，這兩束激光中，有一束被待測(cè)氣體大量吸收，是波長(zhǎng)為λon的激光;另一束并沒(méi)被待測(cè)氣體吸收或者是吸收的很少，這束激光的波長(zhǎng)為λoff。通過(guò)對(duì)兩束激光回波強(qiáng)度的檢測(cè)可以推算待測(cè)氣體分子的濃度。

激光雷達(dá)方程和UV - DIAL 測(cè)量臭氧方法

一束激光發(fā)射到大氣中，它的波長(zhǎng)為λ 、脈沖能量為E ，假如高度Z 處的臭氧濃度為n(z)，則激光雷達(dá)接收到的回波光子數(shù)滿足激光雷達(dá)方程為:

這里Ki代表的是激光雷達(dá)系統(tǒng)效率、h 代表的是Plank常數(shù)、c 代表的是光速，αi是波長(zhǎng)為λi的臭氧吸收截面，βi(z)代表的是大氣后向散射系數(shù)，αi(z)代表的是消光系，二者的兩個(gè)組成部分都是氣溶膠還有氣體分子。由方程(1)，那么平流層臭氧分子濃度可以利用UV -DIAL 激光雷達(dá)測(cè)量得到，z 和z' = z + z 大氣厚度層內(nèi)的平均臭氧濃度N(z)可以由下式計(jì)算:

后向散射B 和消光EA分別為:這里，臭氧吸收截面差Δσ =Δσon-Δσoff，其中αA代表的是氣溶膠的消光系數(shù)，αM代表的是分子的消光系數(shù)。

計(jì)算背景、原始數(shù)據(jù)平滑及求微分或差分?jǐn)?shù)據(jù)處理是主要的數(shù)據(jù)處理，計(jì)算臭氧數(shù)密度及進(jìn)行氣溶膠影響的訂正。波長(zhǎng)308 nm 處臭氧吸收截面隨溫度變化，這里按下式進(jìn)行溫度修正:

其中℃是T 的單位。波長(zhǎng)355nm 的臭氧吸收截面為613 ×10-23cm2。通過(guò)對(duì)氣壓和氣溫的計(jì)算，可以計(jì)算出后向散射系數(shù)，也可以計(jì)算大氣氣體分子的消光系數(shù)。進(jìn)行氣溶膠訂正時(shí)，利用532nm 波長(zhǎng)探測(cè)的平流層氣溶膠的散射比，經(jīng)波長(zhǎng)變換后訂正氣溶膠的影響。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)學(xué)習(xí)激光遙感技術(shù)，了解到激光遙感技術(shù)在大氣參數(shù)測(cè)量中的重要性，并體會(huì)到激光遙感技術(shù)在大氣參數(shù)的測(cè)量的應(yīng)用日益廣泛。因此，了解并掌握激光雷達(dá)的探測(cè)原理和方法對(duì)于天氣分析和預(yù)報(bào)有著十分重要的作用和意義。

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