激光雷达在环境监测中的应用介绍

　　大气污染物分布的观测

　　低空大气中存在着丰富的被称之为气溶胶的漂浮粒子，它是造成大气污染的主要因素。当激光雷达发出的激光与这些漂浮粒子发生作用时会发生散射，而且入射光波长与漂浮粒子的尺度为同一数量级，散射系数与波长一次方成反比，激光雷达依据这一性质可完成气溶胶浓度、空间分布及能见度的测定。同时可监测沙尘暴的起源、传输途径以及它的沉降过程。以利于各地根据沙尘暴的不同起源采取不同对策，利用植树造林等干扰手段改变或阻断沙尘暴的传播路径。

　　对大气及其污染探测时，可选用地基固定式、星载激光雷达、机载激光雷达和地对空激光雷达进行。在实际工作中，不同的工作目的和探测目标选用了不同的激光雷达系统。例如：利用Mie散射激光雷达探测大气悬浮尘埃和气溶胶。气溶胶造成一系列的环境污染问题，如臭氧层的破坏、酸雨的形成、烟雾事件的发生等，已酿成全球性环境问题。当激光穿过大气与大气粒子相互作用，Mie散射的微分散射几率最大。因此，大气中即使是少量的低浓度悬浮尘埃和气溶胶，也可以根据Mie散射探测来确定它们的成分及污染程度，得到精确度较高的基础性数据，定量化研究评估气溶胶等大气成分对气候、生态环境的影响，提高天气预报准确率和有效监控大气污染，可为制定相关政策提供科学依据。可以利用Rayleigh散射激光雷达探测破坏大气臭氧层的氟利昂系列。Rayleigh散射是大气原子或分子的弹性散射，其后向散射截面比较大，因此，Rayleigh散射激光雷达适用于中层大气成分变化的探测。利用Raman激光雷达监测羽状的气体污染源。Raman散射是激光作用于物质粒子产生的非弹性散射过程。散射光子与入射光子能量之差决定于散射物体成分，由于散射截面较小，探测灵敏度有限，因此，Raman激光雷达非常适用对工厂和汽车排放羽状的污染源进行监测。Raman激光雷达在20世纪70年代得到迅速发展。近年来，发展了探测灵敏度很高的差分吸收激光雷达，用于城市大气环境和城市污染源的高分辨率探测。

　　大气成分的观测

　　差分吸收激光雷达是利用激光被气体分子的吸收及被气溶胶、大气分子的后向散射两方面的作用效果而设置的。它主要用于大气成分的测定，其中包括水蒸汽、臭氧及大气污染体的空间浓度分布等。差分吸收激光雷达的测量原理是使用激光雷达发出两种波长不等的光，其中一个波长调到待测物质的吸收线，而另一波长调到线上吸收系数较小的边翼，然后以高重复频率将这两种波长的光交替发射至大气中。此时由于激光雷达所测量到的这两种波长光信号衰减差是待测对象的吸收所致，因此通过数据分析，便可得到待测对象的浓度分布，从而达到测量目的。

　　气象要素的观测

　　在大气环境污染观测中有关风速、气温、湿度等气象要素是不可缺少的重要参数。近年来利用拉曼散射与温度关系制成的拉曼散射激光雷达己有广泛的应用。在使用拉曼散射激光雷达对温度进行测量时，既可通过转动拉曼散射激光雷达加以实现，也可利用振动拉曼散射激光雷达来获得，后者更适合低层大气中高精度气温的测定。利用多普勒激光雷达可以测量风速，就其工作方式而言，分为相干方式及非相干方式。通常在对流层风速测定中采用相干方式，而对同温层及中层风速速测定中，通常采用非相干方式。

　　中间层金属蒸气层的观测

　　在距地面80-120km的中间层顶部及电离层底部存在着较丰富的金属蒸气层，如Na，K，Li，Ca，Fe等。以这些金属原子作为示踪物开展大气动力学研究，是一种非常有效的方法。钠荧光共振散射激光雷达的基本结构与瑞利散射激光雷达结构类似。由于中间层顶大气分子密度很低，瑞利散射信号十分微弱，而该区域内的钠金属原子层由于其共振荧光截面比瑞利散射截面高几个数量级，因此，利用钠荧光雷达研究钠层分布，进而研究重力波等有关性质更显示其独有的特性。2001年武汉大学自筹经费研制成功了国内第一台双波长高空激光雷达。工作波长为532nm（瑞利模式）和589nm（钠荧光模式），利用瑞利和钠荧光激光雷达回波，获取地球上空30-80km高度范围大气密度和85-105km钠层的密度与温度的空间结构和时间变化，辩明中高层大气中关键的动力学过程，建立我国上空中高层大气的密度和温度模式，为我国的航天活动、国防工程建设和其他应用部门提供空间环境监测和预报服务。