激光大气主动遥感测量应用综述
摘要：本文在简要介绍激光雷达原理及应用的基础上，概述了激光在大气遥感测量方面的应用，最后给出了激光大气遥感测量技术的优点和不足以及对未来发展趋势的展望。关键词：大气测量；遥感；激光雷达，激光1．引言自60年代激光问世以来，由于这一新型光源具有单色性好、相干性强、方向性高以及大能量、大功率等特点，其在军用、民用以及医疗等各个方面受到越来越广泛的重视和应用，尤其是1965年以后激光雷达和激光测云仪的出现，使得激光在探测烟、尘、大气浑浊度等大气污染以及环境监测研究、大气温、湿、压、风等气象要素和大气成分、探测云雾、降水和能见度以及高层大气等方面，都取得了很大的进展，强有力地推动了激光大气探测的发展。无论是环境监测，还是气象探测都与激光雷达技术的发展和应用息息相关，其探测原理均可借助于激光雷达的探测原理来说明。下面首先简要介绍一下激光雷达技术。2．激光雷达技术常用于大气探测的脉冲激光雷达，具有与微波气象雷达相似的探测原理。发射激光在大气中传播遇到大气分子以及诸如烟、尘、云雾之类的气溶胶时，将发生弹性散射、非弹性散射和吸收等物理过程。其中后向散射部分被脉冲激光雷达作为回波信号而接收，它包括强度、频率、相位、偏振等因子，成为激光大气探测的有效信息。2.1 激光雷达基本原理发射机发射一束一定功率的激光束,经过大气传输辐射到目标面上,目标面反射回来的回波由接收机接收,再由信号处理提取回波中的有用信息。激光雷达系统性能分析的基本问题是:在一定的发射功率下,受环境因素、系统参数的影响,确定接收端的接收功率、信噪比。经典的激光雷达距离方程通用形式为式中： 为回波信号功率； 为激光器发射功率； 是源到目标的大气传输系数； 为发射光学设备效率；为束散角； 是发射机到目标的距离； 为目标激光截面； 为目标到接收机的大气传输系数；是目标到接收机的距离； 为接收孔径； 为接收光学设备效率。制约激光雷达性能的约束条件主要有:1) 激光器的输出功率;2) 工作波长和带宽;3) 目标特性;4) 大气传输条件;5) 接收机灵敏度;6) 探测器指标;7)距离;8) 噪声等。2.2 激光雷达的应用激光雷达除具有测距功能外，还具有目标指示、目标精确跟踪和测定风的功能。目前有激光测距指示器，激光测距跟踪器两类多功能激光雷达。激光雷达多被用于大气环境监测方面，通过分析激光的回波信号从而得到大气物理特征。激光波长位于光波段，典型值为1um左右，这与烟尘等大气气溶胶粒子的尺度相当，加上探测器的探测灵敏度较高，因而激光探测烟、尘等微粒具有很高的探测灵敏度。激光雷达所接收的大气回波信息，包含了大气散射光的光强、频率、相位和偏振等多种信息。利用其可探测多种大气物理要素，其优势是其它探测手段所不能比拟的。2.2.1 可用于消光系数和大气透过率及能见度的测量利用大气中粒子的后向散射，根据激光雷达测量提供的激光信号回波电压和测试距离信息解算出指定距离上的消光系数。通过测量的大气消光系数反演计算出指定距离上的大气透过率。目前国内外已有相应的激光雷达和能见度测量仪等设备对大气透过率及能见度进行测量，亦可借助于透过率和能见度二者之间的关系，进行相互反推。2.2.2 激光雷达的窄波束特点适合于目标精确跟踪 典型的CO2外差激光雷达为收发合置光路系统，接收和发射有相同的孔径。有效波束很窄，可对目标进行精确的跟踪。2.2.3 激光雷达的高分辨率有利于对目标进行识别和确认目标表面的子区可以通过角度、距离或速度测量来分辨。这些分辨性的测量可测出特定目标的独特特征。这些独特的特征包括：形状、体积、速度、自旋或转动速率及振动等。正是基于激光雷达探测的以上诸多优点，使得激光在大气测量方面的应用越来越广泛，下面简要概述其在大气遥感测量诸多方面的应用。3．激光大气测量应用概述激光通过Mie散射可以遥测烟、尘，这时回波信号较强，它是激光雷达最广泛的一种应用。激光雷达其主要是利用散射来提供大气中的各种气象信息，并用于环境监测研究，其包括大气的消光系数及后向散射系数、气溶胶模式、大气能见度、大气悬浮颗粒和浮云状物的结构及光学性质的距离分辨测量、臭氧和水蒸气等微量气体的散布情况、对流层气体以及空气密度和温度等 。利用Raman散射法和吸收光谱法，激光可以遥测污染气体浓度和成分。故激光在大气污染监测、大气污染扩散规律的研究等方面具有重要地位。其对城市规划、山区厂矿的合理布局等具有很大的实用价值。低层大气的激光回波，主要是大气尘埃的贡献，通过分析激光回波波形，可获得大气尘埃消光系数的分布，从而可得大气空间浑浊状况的时、空分布 。用激光探测温、湿、压等气象要素来补充或代替常规的无线电探空仪法，一直是人们关注的问题。激光探测可获得这些要素几乎同一时刻的空间分布廓线，并且可以频繁地测得它们的时间变化，这对于我们研究和了解大气中发生的许多过程有着重要的意义。激光探测湿度和密度实际上属于大气成分的探测范畴，即探测大气水汽和含量比较稳定的N2和O2，故较多地利用吸收光谱法和Raman散射法进行探测。在30公里以上，大气散射回波基本上由分子散射造成，其强度正比于大气密度，只要由探空资料给出某一参考高度上的密度值，就能直接由回波强度精确地算出高空密度分布，根据这一原理，利用红宝石激光器，已探测到直至90公里高度的大气密度分布。激光探测云雾、降水和能见度。激光能够提供一种不需要目标物、单点探测水平能见度的客观方法，还可以探测其它方法难以解决的斜视能见度问题，这对飞机着陆、海上航行等极为有用。当观测目标物和背景的亮度已确定的情况下，能见度主要取决于大气透明度。水平大气平均消光系数的激光探测，主要采用斜率法和回波特征法。斜率法是根据激光雷达方程，在大气水平均一的假设下，由大气回波所构成的直线斜率，求取大气水平平均消光系数，回波特征法则是根据水平大气激光回波的半宽度和峰值距离等特征量与能见度的关系，求取大气水平平均消光系数。此外，利用连续激光的大气回波，探测大气水平平均消光系数，亦有所设想。常用能见度来记录主要的天气状况。能见度是指白天在地平线上主观能够看到一个显著物的最大距离，或者在夜间主观能够看到中等亮度灯光的最大距离。这对飞行员或空中交通管理人员有意义。根据高层大气激光回波的探测分析指出，在20公里附近，存在着气溶胶回波的极大值，这也证实了平流层中Junge气溶胶层的存在。目前，激光导星技术已逐渐发展成熟，其为遥感探测分析太阳表面结构并获取指定路径上的大气湍流变化特征提供技术支撑，从而为自适应光学的发展奠定基础，相信在不久的将来，激光导星技术的发展成熟必将对遥感探测技术的发展起到很大的推动作用。4 激光大气测量的发展及展望激光大气探测，由于发射波长在光波波段，（典型值约为1um），比微波波长（典型的约为104um）要小几个量级，而与烟尘等大气气溶胶的尺度相当，加上光电探测器的灵敏度较高，因而激光探测这类气溶胶具有很高的灵敏度。即使对于尺度更小的大气分子，激光探测也能发挥作用；由于其具有很窄的脉宽（毫微秒量级）和很小的发散角（十分之几毫弧度），从而决定了其具有米量级的空间分辨率，可测得大气参量的空间精细结构。所以激光是一种颇有前途的主动遥感探测技术，尤其是在探测晴空大气方面更有优越性。然而由于大气对激光的散射衰减比较强，从而使得其大气探测距离和穿透深度受到限制。随着激光大气探测研究的进展，星载激光雷达的探测研究近年来也很受重视。研究表明 ：星载激光雷达可以测云（云顶的空间变化、薄卷云分布等）、测气溶胶分布、测大气成分、微量元素等等。此外，如Huffaker等人还提出用星载脉冲激光雷达测全球风场，Smith等人提出用星载激光雷达通过吸收光谱法测对流层的温、压廓线等。星载激光探测可弥补气象卫星被动遥感探测的种种不足，可获得丰富的探测内容。不久的将来，气象卫星将采用激光、微波等主动遥感探测系统与可见、红外和微波等被动遥感探测系统相结合的探测体系，获得更为丰富和精确的气象要素的空间分布，以满足大气科学研究和实际应用的需要。 激光大气探测的发展和推广应用，有赖于许多激光探测技术问题的解决，主要有以下三个方面。首先：要求解决激光器的变频技术。目前正在研究各种原理的调谐激光器，如果该技术可成熟使用的话，则基于吸收光谱法原理的探测方法将得到迅速发展。若可调波长范围宽广，则多波长探测方法也可得到解决，这些将为激光探测打开广阔的前景。其次，要解决弱信号的检测技术。激光探测大气成分和高层大气等，往往接收的光信息十分微弱，而各种原因引起的噪声则强烈影响激光探测的精度。因此必须深入探讨如何通过技术措施和统计方法，获得低信噪比条件下的有效光信息。第三是激光探测自动控制和观测资料的自动数据处理，其是激光探测技术能否推广使用的关键之一，应发展快速模式转换器（5兆赫以上），磁带记录和微小型计算机进行控制和数据处理，从而获得实时的观测结果。5．结束语本文简要介绍了激光雷达的基本原理及应用，并在此基础上，概述了激光在大气遥感测量方面的应用，最后给出了激光大气遥感测量的优点和不足以及对未来发展趋势的展望。参考文献 McCormick M P, Hostetler C A. 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