激光雷达技术在大气环境监测中的应用、问题分析与发展预测

　　关于雷达的论文第六篇：激光雷达技术在大气环境监测中的应用、问题分析与发展预测

　　摘要：从20世纪60年代以来，激光雷达技术不断的得到发展，截止到现在为止，激光雷达技术已经在较多的场景得到广泛的应用。其被运用在相关技术的科学研究、国家的军事领域、国家的经济发展等很多方面，涉猎极广，其中特别是在气象领域取得了很大程度的进展。文章针对激光雷达技术在大气环境取得的成就展开论述，对激光雷达的组成、特征以及分类进行了简单的说明，对激光雷达技术的发展进行了从无到有的论述，对激光雷达技术在各个环节的运用进行了探讨，最后分析并提出了激光雷达存在的问题以及对未来的发展道路的预测。

　　关键词:激光;雷达技术;大气;环境监测;应用;

　　引言

　　激光雷达技术的发展与应用十分迅速，激光雷达拥有很多特点，例如方向性强、单色性高；从技术方面分析，激光雷达还具备极好的灵敏度，并且还具备很高的抗干扰性以及空间分辨率，在探测过程中不存在盲区的特点。所以，激光雷达技术目前被广泛应用在环境监测、道路勘测、航天科技、导航定位、水利开发等各个领域中，还能够对污染物的扩散和沙尘暴的过程进行有效的监测，起着关键的作用[1]。

　　1 激光雷达技术的概述

　　1.1 激光雷达的组成原理

　　激光雷达，顾名思义是将雷达技术与激光技术结合在一起的产物。它主要由辐射器、接收器、天线组成，目前辐射器主要由激光器构成，接收器主要是光电探测器构成，而通过光线望远镜作为雷达的天线。激光雷达主要通过激光的波线进行距离的测量并确定方向与位置，通过方位、速度与反射回来的光线进行物体的识别，是一种非常有效的监测用具。要进行大气监测处与激光雷达系统的直线距离的测量，可采用公式Z=T×C/2，其中Z表示直接距离，T表示延迟时长，C表示光速。激光雷达系统主要由6部分构成，包括激光器、探测器、天线、信号处理装置、控制装置和电源。其系统原理框架图如图1所示：

　　图1 激光雷达系统原理框图 

　　1.2 激光雷达的基本特征

　　激光雷达系统能够在可见光和红外线两种波段上发挥作用。在激光器的运用下，激光雷达在光脉冲波与电脉冲波来回转换，最后还原到电脉冲波，在这段过程中，光线接收器在光脉冲波的转换和反射的光波过程起到了非常决定性的一步，据此可得，激光雷达是结合了较为传统的雷达技术和现代化的激光技术，能够利用相关技术进行精准度高的物体识别。

　　与之前的探测系统作比较，激光雷达体系对距离、位置和角度的探测更加的精准，能够利用相关技术进行精准度高的物体识别。随着激光雷达技术的深入研究，专业人员研制出越来越多样化的雷达设施，根据需求演化出满足各种作用的激光雷达系统，同时也被应用在了越来越多的领域[2]。

　　1.3 激光雷达的类型简述

　　激光雷达按照不同的需求性质可分为不同的类型。首先，根据激光器所使用的物质差异可以分为气体、半导体、固体激光雷达。气体激光雷达比较常用的是二氧化碳激光雷达，它主要应用在红外线区域，其间距远，传输小，在大气环境监测中起到了很大的作用；半导体激光雷达一般都用来进行云层的高度测量，主要因为它具备尺寸相对较小、价格普遍实惠等的特点；固体激光雷达大多数被用来探测大气层污染物、可见度、风速、温度和湿度等等。

　　2 激光雷达技术的发展

　　2.1 激光雷达技术的发展

　　在四十多年间激光雷达技术的从无到有、由简到难，一直发展到今天的能够运用在多个场景，其发展历程是非常艰辛的。第一台激光雷达是由美国的一家公司研制出来的，具体用于靶场测试，紧接着比较着名的是用于人造卫星的测距机，随后又将目光放到单脉冲激光雷达与二氧化碳激光雷达的发明研究。激光雷达不断的被发明于各种领域，一直到1994年的9月9日，LITE的发明出现，实现了人类通过激光雷达对大气层环境的观察与研究。

　　在欧美的一些国家，都有一套用于大气环境监测的激光雷达系统。在目前已知的经常用于大气监测的雷达有地基固定式和车载式激光雷达，而在一些发达国家中，逐渐采用机载式激光雷达进行大气环境的和污染物的监测。

　　截到目前为止，我们国家在大气环境的激光雷达技术研究已有30年之久，取得了很大程度的进展。其中中科院在此方面的研究在国际上相关领域的认可，并且我国的第一台激光雷达设备就是中科院大气物理所研制出来的。随后又研制出多个领域的激光雷达，其中UV-DIAL差分激光雷达是我国的第一台用于观测平流大气层与臭氧层的系统。

　　2.2 大气环境激光雷达的发展

　　中科院安徽光机所在1991年建造了L625大气探测激光雷达系统，这是我们国家最大的用于观测平流层气溶胶、臭氧等分布的系统。L625大气探测激光雷达技术的研制成功，在很多方面得到了美国NASA的广泛运用；随后L300可移动式激光雷达的问世，是我国第一台具有对流层进行气溶胶系数、云、大气可见度的双波长米散射激光雷达系统；差分吸收激光雷达、YAG激光雷达等等的研究对我国的大气环境激光雷达的监测跨越了一大步，并立足于国际领域中，获得了很高的重视[3]。

　　3 激光雷达技术的应用

　　3.1 探测大气层的臭氧层

　　臭氧层对地球上的生物有良好的保护，它是地球上的生物赖以生存的保证，能使地球上的生物减少紫外线的伤害。但在最近的时间里，大气中的臭氧层的含量逐渐降低，这种降低的趋势走向会直接导致地表的温度下降。想要应对这种状况的发生的前提条件就是人们先要能够对臭氧层实现观测，而激光雷达的不断研制，激光雷达技术的发展可以帮助人们科学的检测大气中的臭氧层的变化，使这一问题有了更好的突破点。

　　3.2 探测大气层中的污染物

　　在大气层中有一种被称作气溶胶的颗粒物是造成大气环境污染的主要因素。气溶胶是一种在气体介质中以液态或者固态存在的且具有分散性的胶体体系，它主要因为吸收辐射而形成云团故对地球局部的气候造成影响。虽然气溶胶在大气中含量较少，但是也对地球的人们生活的环境造成了困扰，在针对气溶胶的探测进行研究时，可以选择激光雷达技术中的散射激光雷达探测。在运用散射激光雷达进行大气环境监测时，可以将大气层中的气溶胶、云团进行一个快速的识别，并利用波长将探测到的信号反射回去及时进行识别，以达到良好的监测作用。

　　3.3 探测大气环境温、湿度

　　在进行气候的预先了解时，需要借用激光雷达技术对大气环境中的温度、湿度进行探测，这时可以运用散射性激光雷达或者拉曼激光雷达进行大气物理环境的观测，拉曼激光雷达具有较高的分辨率，对气候观测是十分有效的。

　　在进行激光雷达探测的时候，也需要考虑多重影响因素，例如光的折射、光的散射、光速等影响因素，会导致探测的波段发生抖动的现象；而在大雾大雨天气的时候，又会造成激光束的衰弱减少，因此在进行大气环境的温湿度观测之前进行一定的预测是有必要的。

　　3.4 探测大气环境的风速

　　在进行气象观测之前对大气层环境进行风速的探测是十分有必要的。对风速的研究一方面可以及时帮助沿海地区的人们预防，一方面可以有效的预估恶劣天气的来临（例如飓风），进行准确度高的天气预测。

　　目前已知的用来探测风速的设施有多普勒激光雷达，多普勒激光雷达不仅可以对大气层中的颗粒物进行探测，还可以使技术人员通过探测到大气的回波和移动的频率有效的分辨风场的变化，预知灾害的来临。

　　4 问题分析与发展预测

　　激光雷达体系的发展为大气环境的监测提供了更多的保障，但在发展的同时，也避免不了相关问题的出现。举一些例子：在大气层中，光线的折射、散射以及光的速率都会对激光雷达的探测有干扰作用，这就对监测的时间、环境都有针对性要求；天气因素也会对激光雷达的探测产生影响，激光适宜在晴朗的天气传输的距离较远，衰减较小所以就便于观察；激光的波束导致该体系只能在小范围内进行探测搜索等等。激光雷达系统的实操高，研制难，耗费的经费精力是相当大的，同时出现了局部问题也是不方便立刻改进的。在此分析提出一些问题，希望对以后的研制能提供帮助[4]。

　　科学家的不断研制使得激光雷达技术在生活中的运用越来越得心应手，随着科技的不断进步，未来的激光雷达体系一定会出现更多的新型的设计发展。目前来看，激光雷达技术的发展还比较单一，在今后的研制中，实现多参数的探测功能是可展望的，具备多重探测功能的雷达体系，既可减少成本的消耗，又可提升探测的各个领域中的应用。

　　结语

　　激光雷达技术在大气环境监测领域的发展，对于大气环境的监测是占据着重要地位的。它的较高的分辨率、较强的探测能力等优点使得它在气象领域中获得了重要的参考指标。本篇文章通过对激光雷达的发展、应用、问题探讨以及对未来的趋势分析，其中具体提到对臭氧层的探究、对污染物的监测、对大气物理环境的探测，这些技术的研究不仅使科学家们去大气环境有效的观测，还使人们通过这些研究对地球的环境更加的了解，可以更好的保护地球上的生物、保护环境。

　　参考文献

　　[1]陈士英,张平贵，卢俊平激光雷达技术及其在大气环境监测中的应用[J].内蒙古科技与经济,2012(02);:85.

　　[2]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]气象和环境学报,2009,25(5):48~56.

　　[3]杨义彬.激光雷达技术的发展及其在大气环境监测中的应用[J]成都信息工程学院学报,2015(06):725-727.

　　[4]周军，岳古明，金传佳等探测对流层气溶胶的双波长米氏散射激光雷达[J].光学学报2000,20(10):1412~1417.