激光雷達在氣象和大氣環境監測中的應用探討

激光雷達在氣象和大氣環境監測中的應

用探討

摘要：在科學技術持續發展的時代背景下，誕生了許多先進且實用性強的儀

器設備，而激光雷達便為其一，此設備憑借實時預警、跟蹤等功能，在氣象與大

氣環境監測中得到廣泛化應用。本文圍繞激光雷達的基本結構與分類，從多方面

剖析其在氣象與大氣環境監測當中的實際應用情況，望能為此領域應用研究提供

一些參考。

關鍵詞：氣象；大氣環境；激光雷達

激光雷達實為一種具有主動式特點的光學遙感設備，乃是多種技術緊密融合

后而形成的產物，如現代激光技術、傳統雷達技術等；需要指出的是，激光雷達

將激光當作光源，借助輻射信號（由目標物與探測激光彼此作用而產生）來對目

標物進行遙感。激光雷達較之傳統的微波雷達，因所用的為激光束，因而有著更

2.激光雷達的種類

（1）依據激光器不同的工作物質，可將激光雷達劃分成三種類型，分別是

固體激光雷達、半導體激光雷達與氣體激光雷達。針對氣體激光雷達而言，其最

具典型性的為CO激光雷達，此雷達于紅外波段工作，有著比較小的大氣傳輸衰

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減率，并且還有著較遠的探測距離，已被廣泛應用于大氣風場、環境監測領域中。

對于半導體激光雷達來講，其所具有的優點為驅動簡單、尺寸小及價格低，在云

底高度測量等領域中較好應用。針對固體激光雷達來分析，其多用作探測大氣當

中的有害氣體成分及大氣氣溶膠、能見度、溫度廓線等。（2）依據激光與大氣

之間不同的作用方式與探測目的，可將激光雷達劃分成多種類型。①米（Mie）

散射激光雷達。其實為一種借助米散射機制對低空大氣（＜36km）當中的氣溶膠

粒子（比如云霧、塵埃等）進行探測的激光雷達類型。針對Mie散射來講，其基

本特點即為散射粒子在具體的尺寸上，相近或大于入射激光波長，而在相應的散

射光波長上，則相同于入射光，散射時無光能量方面的交換，實為彈性散射。②

瑞利激光雷達。其主要是借助瑞利散射機制，探測中間層大氣（高度＞30km）當

中的氣溫、大氣波動、密度情況，需要指出的是，如果激光光束大于粒子半徑，

此時，所產生的散射便是瑞利散射。另外，瑞利散射同樣是一種彈性散射，在＞

30km的大氣回波多為分子瑞利散射，能夠將氣溶膠粒子相對應的米散射信號予以

忽略。③拉曼散射激光雷達。其通過對水汽、氮氣分子對激光的拉曼后向散射回

波型號同時接收，得到水汽混合比相對應的垂直分布；需要強調的是，拉曼散射

實為激光與大氣當中多種分子間的一種相互作用且非彈性的過程，其突出特點即

為散射光的具體波長不同于入射光，且移動至長或者短波方向。此種雷達可以圍

繞低空范圍內的大氣溫濕度，開展持續且高時空分辨率的探測，還能用于對環境

且得出：“人為氣溶膠的氣候強迫效應實為造成全球氣候變化的關鍵誘因”。有

研究分別用微脈沖激光雷達、Mie散射雷達等來探測青藏高原、南北極的各地區，

且通過反演、探測所得距離平方，對消光系數、散射比、回波信號、退偏振率及

后向散射系數等物理量進行矯正、分析，借此對平流層、對流層的云、氣溶膠及

邊界層相對應的失控分布等進行研究，深入探討了此些特征的主要成因。

3.2探測溫度

溫度實為一項十分關鍵的氣象參量。大氣溫度在研究海洋、天氣預報、大氣

物理等方面，均起到關鍵性作用。現階段，可對大氣溫度進行探測的激光雷達為

拉曼激光雷達、瑞利散射激光雷達等。針對瑞利散射激光雷達而言，其所具有的

優點為時空分辨率好、探測靈敏度高等，另外，還能借助瑞利散射機制（激光與

大氣分子之間），產生高質量的雷達回波，無大氣探測盲區。但有研究指出，在

高度＜30km的大氣中，因存在氣溶膠，會對測量大氣分子瑞利散射造成干擾，所

以此雷達不適于低空測量。拉曼激光雷達有轉動、振動之分，對于振動拉曼散射

回波來講，其能夠在對流層中上部的大氣溫度情況進行探測，而針對轉動拉曼散

射激光雷達（RRL）而言，其則借助O、N分子相對應的轉動譜線強度與溫度之間

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的關聯性，對底層大氣的氣溫進行測量。

3.3探測能見度

綜上，伴隨近年來的不斷發展，激光雷達已經成為一種較常用的主動遙感工

具，并借助測量精度高、探測跨度大及空間分辨率高等優點，在諸如大氣遙感、

氣候與氣象及環境保護等方面得到不錯應用。但需要指出的是，因激光雷達有著

非常高的技術難度，在現實應用中仍存在一些不足，如受大氣光傳輸效應的影響

（比如光速等），會降低其測量精度，所以不適用于全天候工作等。因此，伴隨

應用領域的持續退款，激光雷達技術仍需不斷的創新與優化。

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