大氣雷射雷達

大氣雷射雷達是雷射雷達特有的一種套用,其利用雷射與大氣成分的相互作用來進行探測。

基本介紹

• 中文名：大氣雷射雷達
• 外文名： atmospheric monitoring lidar

1簡介

國外在較早期已能夠利用雷射雷達對大氣進行檢測，目前已建有多個雷射雷達觀測站，其中包括義大利那不勒斯觀測站、美國雷射雷達觀測站、印度尼西亞斯馬特拉島觀測站等。其中，美國對空基雷射雷達在大氣檢測方面的套用較為成熟，1994 年9 月，美國利用“發現號”太空梭搭載雷射雷達發射成功，完成了世界上第一次雷射雷達空間技術實驗；又於2000 年後發射了五顆搭載雷射雷達儀器的衛星，為地球科學提供了大量的相關數據。俄羅斯研製了一種遠距離地面的雷射雷達毒氣報警系統，這一系統是通過對氣溶膠的特性研究獲得的，通過對化學毒劑的實時探測，從而確定毒劑氣溶膠雲的離地高度、中心厚度以及斜距離等相關參數，從而為人們提供預警。此外，德國也研製出了一種可發出40 個不同頻率雷射的連續波CO2 雷射雷達，可識別和探測9~11 μm 波段光譜能量的化學戰劑，可為大氣環境的檢測提供有效的數據。

與此同時，國內對雷射雷達的套用和研究也在迅猛發展，20 世紀六七十年代，中國科學院大氣物理所在周秀驥院士、呂達仁院士、趙燕曾研究員等主持下成功研製出了我國第一台米散射雷射雷達，同時開展了有關雲和氣溶膠特性的探測工作。隨著雷射雷達在大氣檢測方面套用的不斷發展，目前我國已經建立了12 個沙塵暴長期觀測站。隨著套用的不斷擴大，國內已有許多單位開始運用雷射雷達系統進行大氣參數的探測研究，如安徽光學精密機械研究所、中國海洋大學、中國科學技術大學、上海光學精密機械研究所、武漢大學、蘭州大學等。雷射雷達監測環境大氣的工作原理是：雷射器發射雷射脈衝，與大氣中的氣溶膠及各種成分作用後產生後向散射信號，系統中的探測器接收回波信號，並對其進行處理分析，從而得到所需的大氣物理要素[8]，具體原理如圖 所示。

2分類

(1)測風雷射雷達

2001年,美國NASA的Goddard空間飛行中心研製了一台名為“GLOW的雙邊緣測風雷射雷達。其發射系統利用一台種子注入,閃光燈粟浦的Nd:YAG固體雷射器,重複頻率為lOHz,發射脈衝寬度為15ns,頻譜寬度為40MHz,波長為1064nm,脈衝能量為120mJ。其接收系統一共使用五個光電倍增管(PMT)進行信號檢測,其中三路是透過F-P標準具的信號通道(其中兩路作為邊帶,另外一路作為鎖定通道),另外兩路是能量監測通道。信號通道的PMT工作在光子計數模式下,而兩路能量監測通道分別採用光子計數模式與模擬工作,其中模擬工作方式的光電倍增管用於採集近距離強回波信號,而光子計數模式的光電倍增管用於採集遠距離處回波信號以提高測量的動態範圍。2002年,美國密西根大學研製了一台利用條紋技術的雙通道直接測風雷射雷達。其發射系統利用一台種子注入的Nd:YAG固體雷射器,經過倍頻,發射波長為355nm,脈衝寬度為7ns,重複頻率為30Hz,脈衝能量為150mJ。接收系統使用兩個CCD探測器和1個光電倍增管進行信號檢測,兩個CCD探測器的解析度為576*384 (pixels)0回波信號分別通過氣溶膠標準具和分子標準具產生各自的條紋圖像供CCD釆集。PMT則直接接收回波信號,用於協助判斷是否有雲在雷射雷達視場中,以便於拋棄無用的數據。

1999-2009年之間,歐洲空間局研製了一台名為“Aladin”的直接測風雷射雷達,該雷達將搭載在Aeolus衛星上,從太空中觀測全球範圍的風廓線,目前己經成功進行機載實驗。該雷射雷達的發射系統利用Nd:YAG固體雷射器倍頻後發射波長為355mn的脈衝雷射,脈衝能量為125?150mJ,重複頻率為lOOHzo接收系統包含兩個通道,同時對米散射和瑞利散射回波信號進行釆集,用於提升探測的高度範圍。米散射信號通道採用條紋技術,使用Fizeau干涉對回波信號進行處理。瑞利散射信號通道使用雙邊緣技術,使用F-P標準具過號靣均使用#制的16*16(pixels) CCD探測器進CCD探測器上內置了存儲區域,可以直接在探器上完成信號的累加,從而大大降低了讀出噪聲的影響。

2007年,青島海洋大學成功研製了基於碘分子濾波器的車載測風雷射雷達。其發射系統由倍頻Nd:YAG的脈衝固體雷射器和雙波長,窄線寬,可調諧半導體粟浦的種子雷射器組成,發射波長為532nm的脈衝雷射,單脈衝能量4mJ,重複頻率500Hz。接收系統分為兩路信號,一路通過碘分子濾波器,由光電倍增管接收,用於進行頻率檢測。另一路直接由光電倍增管接收,用作能量測量,作為參考。兩個光電倍增管均工作在單光子計數模式下。

2011年,中國科學技術大學研製了瑞利散射的測風雷射雷達,其發射系統採用種子注入鎖定,二極體粟浦的Nd:YAG固體雷射器,產生三倍頻355mn波長的脈衝雷射,脈衝寬度為3-7秒,脈衝能量為400mJ,重複頻率為30Hz。接收系統共使用五個探測器,從雷射器直接輸出的部分光作為參考光,其分為兩束,一束直接由光電倍增管接收,用於能量測量,另一束通過三通道F-P標準具的鎖定通道後由光電倍增管接收,用於頻率測量。雷射回波則分為三束,其中一束直接由單光子計數器接收,用於能量測量,另外兩束通過三通道F-P標準具的兩個邊緣通道,然後分別由兩個單光子計數器接收,用於對都卜勒頻移進行測量。

(2)差分吸收雷射雷達

1995年,美國斯坦福研究院研製了一款基於C02雷射器的差分吸收雷射雷達。其發射脈衝寬度為50-100ns,波長為9-ll^ml,重複頻率為lOHz,脈衝能量為4-5J。光電探測器使用的是液氮冷卻的HgCdTe探測器。這台雷射雷達成功進行了 16公里的SF6氣體探測實驗。2002年,日本電力中央研究所研發了一款多波長差分吸收雷射雷達,其發射系統使用的是Nd:YAG粟浦的染料雷射器,重複頻率為lOHz。其接收系統使用的光電探測器是光電倍增管。

3探測

（1） 雲、氣溶膠和邊界層的探測

氣溶膠、雲和邊界層是影響氣候變化的3 個重要因素，它們的變化往往會影響到大範圍區域內的天氣變化。大氣氣溶膠系統的作用是複雜的，懸浮於大氣中的微粒的直接相互作用可以將太陽光反射或者吸收，這些顆粒還可以間接地改變雲的性質。對於天氣的變化，雲層不僅僅可以起到指示的作用，還可以對其進行調節，此外，地球氣候系統的輻射能量收支也可以通過雲經行調控，所以全球氣候在很大程度上會根據云參數的變化而變化。邊界層高度的確定與雲、氣溶膠特性變化規律同等重要，是大氣邊界層的重要參數，所以對於空氣污染物的傳輸模式、擴散以及污染物預報模式而言，確定邊界層並準確掌握其變化規律是首要任務。

國外利用雷射雷達對於雲、氣溶膠以及邊界層的研究較深入，歐美等國家都相繼展開了利用一些星載雷射雷達對雲、氣溶膠及邊界層進行探測的工作。美國是這方面的先行者，繼1994 年9 月，利用“發現號”太空梭搭載雷射雷達成功發射之後，於2003 年又利用ICESaT（Ice，Cloud and Land Elevation Satellite）衛星成功搭載了GLAS （Geosciences Laser Altimeter System）雷射雷達，這是一台在軌運行的星載雷射雷達測高儀，它可以精確地對雲、氣溶膠及邊界層的相關特性進行探測。除此之外，歐空局於2008 年發射由ADM-Aeolus（Atmospheric Dynamics Mission Aeolus）衛星所搭載的ALADIN（Atmospheric Laser Doppler LidarInstrument）大氣都卜勒雷射雷達，實現了對30 km 以上地球大氣風速分布的測量；2013 年歐空局又提出了研究對地監測的新方法，ALADIN 現能掃描各個方向的光束，包括衛星的背面，它通過比較都卜勒頻移造成的光頻移動，就能測量大氣中的分子運動，由此能推算風速，並獲得雲、氣溶膠的相關特性。

目前，在氣候研究中套用最廣泛雷射雷達的是美國航天航空局於2006 年4 月28 日由德爾塔-Ⅱ火箭搭載發射成功的CALIPSO （Cloud-Aerosols Lidar andInfrared Pathfinder Satellite Observations） 衛星上的雲-氣溶膠正交偏振雷射雷達CALIOP （Cloud-AerosolsLidar and Orthogonal Polarization）。CALIOP 是一台偏振敏感雙波長雷射雷達，系統中的雷射器可以分別發射532 nm 和1 064 nm 波長的雷射作為的輸出脈衝，532 nm 通道獲得的回波信號可以進行正交偏正檢測，從而分辨雲的冰相和水相，而氣溶膠的尺寸可以通過兩波長之間的後向散射信號差來區分。該雷射雷達可提供30 m 的垂直解析度，隨著衛星繞地探測，為大氣科學提供了豐富的氣溶膠垂直分布和雲的特性信息。CALIOP 是典型的空基雷射雷達，由於高空的空氣品質明顯高於低空，雷射的衰減較小，故在垂直高度上能測量出更長距離的高空數據。另一方面，隨著衛星圍繞地球做周期性的運動，它可以進行全球範圍的觀測，包括沙漠、海洋、南北極等其他雷射雷達難以觀測到的地區。CALIOP 能夠獲得高空、遠距、長期、季節性的數據，這為氣象監測工作提供更加全面的信息。CALIOP 的觀測結果可以用來作為模式輸入，與模式結果進行比較，以驗證模式結果或其他觀測工具的觀測結果。CALIOP 在氣候研究中的主要套用包括探測氣溶膠的垂直分布和水平特徵，診斷雲量和雲的垂直分布，計算雲和氣溶膠的光學特徵，估計火災、火山爆發、風暴等對氣溶膠濃度的影響等，通過這些計算和分析可了解氣溶膠和雲的變化規律，從而更加清晰地認識它們是如何影響氣候的。

除此之外，一些學者使用米散射、偏振、微脈衝、共振螢光雷射雷達對不同區域進行了探測，並根據探測及反演得到的距離平方校正後向散射係數、回波信號、消光係數、退偏振率、散射比等物理量來分析和研究雲和邊界層、對流層、平流層的氣溶膠的結構特徵及時空分布，並對這些特徵的成因做了進一步的討論分析。

中科院安徽光學精密機械研究所大氣光學中心成功研製了一台拉曼-米-瑞利散射多參數大氣測量雷射雷達系統，並利用其拉曼-米散射通道採集數據，對邊界層內532 nm 大氣氣溶膠後向散射係數、消光係數以及雷射雷達比（即消光後向散射比）進行了定量的測量。此外，他們還利用研製的雷射雷達，實現了對夏秋季節合肥地區氣溶膠光學特性的測量。結果表明，雷射雷達比垂直廓線沒有明顯的突變，這說明夜間近地面氣溶膠微物理性質相同，且混合較均勻。夏季氣溶膠的雷射雷達比平均值相對較大，秋季較小，但總體變化不大。夏秋季氣溶膠雷射雷達比稍有不同的原因可能與氣溶膠組成成分略有變化或者氣象因素有關。在夏秋兩季節內，雷射雷達比各天觀測結果變化不大，由此可以得出，在同一季節內，氣溶膠的組成成分和微物理特性相同。

(2)大氣成分的探測

環境問題已成為當今社會的一個敏感話題，大氣層環境的變化直接影響著人類的生存和經濟的發展。差分吸收雷射雷達是最早套用於測量大氣成分的儀器，它可以重複性測量大氣痕量氣體（CH4、CO2、NO2、SO2、O3 等）。自1975 年起，國外就開始使用這種儀器來探測大氣成分，之後利用該類型雷射雷達測量臭氧及其他痕量氣體的技術就不斷地在各個國家新興起來。

目前監測網中大部分O3、NO2 和SO2 的監測設備均為基點式儀器，該種設備無法監測大氣中相關氣體的空間分布信息。習慣上，一般都是利用球載探測儀來探測O3、NO2 和SO2 的空間分布數據，但通過此方式獲得的數據一般空間和時間解析度都不高，為此，在國家863 計畫信息獲取與處理技術主題和中國科學院的支持下，2002 年6 月，我國自主研製了車載測污雷射雷達系統，其各污染物測量精度均很高。

與此同時，張寅超等運用該系統首次給出了北京市近地面層大氣O3、NO2 和SO2 的雷射雷達測量數據，他們分別對中科院大氣物理研究所鐵塔分部和北京市大興區北藏鄉進行了大氣O3、NO2、SO2 以及氣溶膠的實驗監測，首次給出了北京市近地面層大氣O3、NO2、SO2 的雷射雷達測量數據，並且將地面儀器的監測數據與所得的測量數據進行了比對。結果顯示，該雷射雷達的O3、NO2、SO2 測量值與地面儀器的測量數據基本相符，相關係數分別可達到0.88、0.75和0.90，這表明車載測污雷射雷達的測量結果可信度是很高的。

(3)溫度的探測

雷射雷達對大氣溫度的探測也起著至關重要的作用，主要有以下3 種：瑞利散射雷射雷達、拉曼雷射雷達和高光譜解析度雷射雷達。目前，瑞麗散射雷射雷達憑藉其空間解析度高、探測靈敏度高和探測無盲區等優點，廣泛套用於大氣溫度探測中。Fiocco 等早在1971 年就已成功利用瑞利散射雷射雷達對大氣溫度進行了測量。除此之外，拉曼雷射雷達在溫度探測方面的套用也是比較常見的，該類型雷射雷達根據其工作方式的不同可分為轉動型和振動型。轉動拉曼散射雷射雷達可以實現對底層大氣溫度分布的測量，其探測主要是通過利用溫度與分子的轉動譜線強度的關係實現的，而探測對流層中上部大氣溫度分布則可以通過振動拉曼散射雷射雷達接收到的回波信號獲得。