激光雷达在气象和大气环境监测中的应用

书书书第２５卷第５期２００９年１０月气象与环境学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹＡＮＤＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＶｏｌ．２５Ｎｏ．５Ｏｃｔｏｂｅｒ２００９收稿日期：２００９－０４－０２；修订日期：２００９－０４－２１。基金项目：科技基础性工作专项重点项目（２００７ＦＹ１１０７００）资助。作者简介：尹青，女，１９８３年生，在读硕士研究生，主要从事太阳辐射、激光雷达等方面的研究，Ｅｍａｉｌ：ｙｉｎｑｉｎｇ８００＠ｓｏｈｕｃｏｍ。通信作者：张华，Ｅｍａｉｌ：ｈｕａｚｈａｎｇ＠ｃｍａｇｏｖｃｎ。激光雷达在气象和大气环境监测中的应用尹青１，２，３　何金海１　张华２（１南京信息工程大学江苏省气象灾害重点实验室，江苏南京２１００４４；２中国气象局气候研究开放实验室，国家气候中心，北京１０００８１；３北京军区空军气象中心，北京１０００６１）　　摘　要：论述了激光雷达的结构、分类以及不同种类激光雷达的工作原理。跟踪激光雷达最新发展和应用，根据探测物质的不同，分别讨论了激光雷达在探测气溶胶、云、边界层、温度、能见度、风、大气成分、水汽和钠层方面的应用，综述了目前国外星载激光雷达的发展和新的应用动态。进一步讨论了在激光雷达探测中存在的问题和今后的发展趋势，认为激光雷达将向多波长、多探测功能、商业化、区域化及全球化方向发展，它在气象与环境监测中正在发挥越来越重要的作用。关键词：激光雷达；气象探测；大气环境监测；星载；应用　　中图分类号：ＴＮ９５８９８　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７３－５０３Ｘ（２００９）０５－００４８－０９１　引言激光雷达是一种主动式现代光学遥感设备，它是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物，它以激光为光源，通过探测激光与目标物相互作用而产生的辐射信号来遥感目标物。与普通微波雷达相比，激光雷达由于使用的是激光束，工作频率较微波高了许多，有很多优点，如分辨率高，可以获得极高的角度、距离和速度分辨率；低空探测性能好，抗有源干扰能力强；单色性好，方向性强；体积小，质量轻等，因此已经成为目前对大气、海洋和陆地进行高精度遥感探测的有效手段，广泛地应用于环境监测、航天、通信、导航和定位等高新技术领域。特别是在大气环境监测、气象要素测量等方面显示了其独特的优势和突出的发展前景。２　激光雷达的结构和分类激光雷达系统从整体上可分为激光发射、回波信号接收和采集以及控制三大部分。激光束与大气物质相互作用而产生回波信号是大气探测激光雷达进行大气探测的关键。激光雷达探测大气环境的工作原理：激光器发射的激光通过与大气中的气溶胶及各种大气成分的作用而产生后向散射信号。对探测器接收的携带着被测物质有关的信息（吸收、散射等）进行分析处理便可得到所需的大气物理要素（如大气消光系数、速度、密度等）［１］。激光雷达按激光器工作物质的不同可以分为气体、半导体和固体激光雷达。气体激光雷达中比较具有代表性的是ＣＯ２激光雷达，它工作在红外波段，大气传输衰减小，探测距离远，已经在大气风场和环境监测方面发挥了很大作用。半导体激光雷达具有价格低、尺寸小和驱动简单的优点，可以用于测量云底高度等。而固体激光雷达则主要被应用于探测云、雾、能见度、大气气溶胶、大气风场和温度廓线，以及大气中有害气体的成分等［２］。根据激光与大气作用方式和探测目的的不同，又演变出多种不同类型的激光雷达。米（Ｍｉｅ）散射激光雷达是一种利用米散射机制探测３０ｋｍ以下低空大气中的尘埃、云雾等气溶胶粒子的激光雷达。Ｍｉｅ散射的特点是散射粒子的尺寸与入射激光波长相近或比入射波长更大，其散射光波长和入射光相同，散射过程中没有光能量的交换，是弹性散射。瑞利（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）激光雷达是利用瑞利散射机制对高度在３０ｋｍ以上中间层大气密度、大气波动现象及高层大气气温进行探测，当激光光束比粒子半径大得多时所产生的散射称为瑞利散射。瑞利散射也是弹性散射，在３０ｋｍ以上的大气回波主要是分子瑞利散射，可以忽略气溶胶粒子的米散射信号；拉曼（Ｒａｍａｎ）散射激光雷达根据同时接收的水汽和氮气分子对激光的Ｒａｍａｎ后向散射回波信号获得水汽混合比的垂直分布，拉曼散射是激光与大气中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，其最大的特点是散射光的波长和入射光不同，产生了向长波或短波方向的移动。这种雷达能对低空大气湿度和温度阔线进行高时空分辨率和连续性的探测，也可以用来测量环境中某种污染气体的浓度；差分吸收（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉ　第５期尹青等：激光雷达在气象和大气环境监测中的应用４９　　　ａｌＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）激光雷达探测时向大气中的同一光路发射波长相近的两束激光波长，其中一个波长正处于探测气体的吸收线上，记为λｏｎ，它被待测气体较强烈吸收，另一波长处于待测气体的吸收线的边翼上或吸收线外，记为λｏｆｆ，待测气体对它吸收很小或没有吸收。由于这两束激光波长相近，其他气体分子和气溶胶对于这两个波长的消光一般情况下基本相同可以忽略。两束激光的回波强度的差异只是由待测气体分子的吸收所引起的，从而根据两个波长回波强度的差分可以确定待测气体分子的浓度［３］，它可以用来探测大气湿度和大气污染，它被广泛应用于环境监测中，如探测空气中的Ｏ３、ＳＯ２和ＮＯ２等；多普勒（Ｄｏｐｐｌｅｒ）激光雷达利用激光多普勒效应，通过测量散射频率相对于发射激光频率的多普勒频移量测量大气风速，获得风场的时空变化；偏振（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）激光雷达是通过探测非球形粒子后向散射光的退偏振比来研究它们的形态，这种激光雷达可以探测和分析云中的含水量和云的微物理结构；共振荧光（ＲｅｓｏｎａｎｃｅＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）激光雷达则已经被应用于对钠层及其相关特性进行系统而深入的探测和研究。同时也可以对其他几种原子和离子进行类似的探测和研究，原子等在吸收入射光后再发射的光称为荧光。在共振荧光过程中，荧光波长与入射光波长相等。由于共振荧光截面比瑞利散射截面大得多，可以利用某些特定的激光波长下原子或分子发生共振荧光增强的现象来实现辨认大气组分的探测。３　激光雷达的应用和发展国外开展激光雷达探测大气工作比较早，目前已建立了很多激光雷达观测站。激光雷达在国内的研究和应用也很迅速，早在２０世纪６０—７０年代，中国科学院大气物理所在周秀骥院士、赵燕曾研究员、!达仁院士等主持下，建立了我国第一台米散射激光雷达，并进行大气气溶胶与云的探测研究。目前，国内已经有许多单位都拥有激光雷达系统并开展了气象参数与大气环境参数的探测研究，如中国科学院所属的安徽光学精密机械研究所、上海光学精密机械研究所、大气物理研究所和数学与物理研究所、中国电子集团第２２研究所、中国海洋大学、武汉大学、北京大学、中国科学技术大学、西安理工大学、兰州大学、南京信息工程大学以及其他一些气象与环境研究单位。此外，中国气象科学研究院和中国科学院空间中心等正计划开展这方面的工作。本节将针对被探测物质的不同来分类讨论激光雷达在大气探测中的应用和发展。３１　气溶胶和云及边界层的探测在诸多影响气候变化的因子中，云和气溶胶是两个非常重要但又不确定的影响因子。气溶胶通过吸收和散射太阳辐射以及地球的长波辐射而影响着地球－大气系统的辐射收支，它作为凝结核参与云的形成，从而对局地、区域乃至全球的气候有着重要的影响［４］；云层对大气辐射平衡影响很大，直接影响气候，对于天气的变化，云不仅是指示器，而且是调节器，由于云在气候变化中的重要作用，有关云的研究近年来一直受到高度重视，被列为全球变化研究中的优先项目［５］；边界层高度是大气边界层的重要参数，如何方便有效地确定边界层高度和准确监测其变化过程，对空气污染物的扩散、传输模式以及污染物预报模式都有十分重要的意义［６］。国外在利用激光雷达对云和气溶胶的光学性质、云量、云高、云与气溶胶的相互影响以及边界层性质等方面研究的比较深入［７－９］，还有学者将测得的结果作为辐射传输模式的输入［１０］，或利用观测值对模式结果进行评估［１１］。Ｃｈａｒｌｓｏｎ等［１２］还将Ｍｉｅ散射激光雷达用于全球气候变化的研究，并通过研究得出“人为气溶胶的气候强迫效应是导致全球气候变化的主要原因”的结论。国内许多学者［１３－２０］对于这方面的研究也取得了重要进展，他们分别使用Ｍｉｅ散射、共振荧光、偏振、微脉冲激光雷达对包括南北极和青藏高原在内的不同地区进行探测，并根据探测及反演得到的距离平方校正回波信号、消光系数、后向散射系数、Ａｎｇｓｔｒｏｍ波长指数、散射比、退偏振率等物理量来分析和研究对流层、平流层的气溶胶、云以及边界层的时空分布及结构特征，并进一步讨论了这些特征的成因。气溶胶在各种非均匀和光化学反应、云形成、降水及地球辐射平衡中都扮演着重要角色。目前使用激光雷达对黄沙［２１］、烟［２２］、霾［２２］、沙尘［２３］、生物体燃烧［２４］、火山爆发［２５］各种类型气溶胶的垂直分布、时空变化、浓度、传输及微物理和光学性质等方面均进行了成功探测。很多地区都已经开始建立雷达观测网，例如在东亚的日本、韩国、中国、蒙古和泰国５个国家的２０个地区已经建立双波长偏振雷达观测网，用来对云和对流层气溶胶（矿物尘、环境污染气溶胶等）进行连续观测［２６］。而且对气溶胶的监测已经不仅仅局限在室外，Ｒｕａｔ等［２７］利用人眼安全的激光雷达使用新的方法给出了巴黎地铁站内气溶胶的时空分布特征，这一研究有利于使激光雷达向调查室内空气质量方向的应用发展。气溶胶的光学厚度（ＡＯＤ）和云有很强的相关性，使用高光谱激光雷达５０　　　气象与环境学报第２５卷　可以给出云附近和远离云时气溶胶的ＡＯＤ、后向散射系数、消光系数、Ａｎｇｓｔｒｏｍ指数的变化规律，并且不受云的三维结构的影响［２８］。极地中气层云ＰＭＣ（ＰｏｌａｒＭｅｓｏｓｐｈｅｒｉｃＣｌｏｕｄ）是指夏季位于高纬度中间层８２—８７ｋｍ高度的一层纳米量级的冰粒薄云，Ｋｌｅｋｏｃｉｕｋ等［２９］利用瑞利散射ｌｉｄａｒ和中间层—平流层—对流层ｒａｄａｒ首次给出了Ｄａｖｉｓ南极洲（６８６°Ｓ）的ＰＭＣ和ＰＭＳＥ（ＰｏｌａｒＭｅｓｏｓｐｈｅｒｅＳｕｍｍｅｒＥｃｈｏｅｓ）的常规测量。激光雷达对气溶胶、云和边界层的测量在探测高度、垂直跨度、时间和空间分辨率、测量精度等方面具有全面的优势，是其他探测手段所无法比拟的。３２　温度的探测温度是一个很重要的气象参量。大气温度对海洋、大气物理、天气分析与预报、环境的研究起到很重要的作用。目前，用于探测大气温度的激光雷达主要有瑞利散射激光雷达、高光谱分辨率激光雷达和拉曼激光雷达［３０－３２］。瑞利散射激光雷达具有探测灵敏度高和时空分辨率好等优点，除此之外它利用激光与大气分子的瑞利散射机制产生雷达回波，不存在大气探测的盲区。早在１９７１年，Ｆｉｏｃｃｏ等［３３］就利用瑞利散射雷达成功地对大气温度进行了测量。目前利用激光雷达探测大气温度多数是利用瑞利散射，如美国通讯研究实验室（ＣＲＬ）的瑞利散射激光雷达系统［３４］、加拿大ＷｅｓｔｅｒｎＯｎｔａｒｉｏ大学的瑞利散射激光雷达系统［３５］等。Ｋｕｍａｒ等［３６］利用瑞利散射激光雷达给出了低纬度中层大气的热力结构，并通过与ＳＡＢＥＲ／ＴＩＭＥＤ卫星资料对比得出只有夜间的雷达资料已经足够用来研究该位置的３０—８０ｋｍ高度的背景平均热力结构但是无法获得阴天的雷达资料对研究是有影响的。然而研究表明在３０ｋｍ以下的高度由于气溶胶的存在，干扰了大气分子瑞利散射的测量，因此利用瑞利散射激光雷达不适用于低空测量［３７］。１９８３年Ｓｈｉｍｉｚｕ等［３８］提出将原子吸收滤波器用于高光谱分辨率激光雷达（ＨＳＲＬ）来测量大气参量；Ｓｈｅ等［３９］在高光谱分辨率激光雷达中使用了钡原子吸收滤波器，并测量了大气温度等大气参量，证明了利用钡原子吸收滤波器滤除米散射影响来获取大气温度剖面方法的可行性；Ｐｉｉｒｏｎｅｎ和Ｅｌｏｒａｎｔａ等［４０］在高光谱分辨率激光雷达中利用碘分子吸收滤波器，并对低空大气温度进行了初步测量，虽然精度不高，但是说明在激光雷达中利用碘分子滤波器来探测大气温度的方法是可行的；中国海洋大学研制的基于碘分子滤波器的ＨＳＲＬ系统［４１］