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激光雷达技术为什么能用于大气环境监测?

发布日期:2019-02-25 22:27 浏览量:95

激光雷达测绘技术20世纪60年代问世后迅猛发展,激光雷达具有波长短、方向性强、单色性好、抗干扰性高和体积小等特点,能够在应用中呈现出了较高的探测灵敏度、空间分辨率和抗干扰能力

目前被广泛应用,涉及行业甚广,如水利工程、农业开发、土地利用、环境监测、城市规划、交通通讯、方阵减灾、资源勘测和军事工程等等领域。今日我们主要说说激光雷达技术在大气环境监测方面发挥的重要作用。 

激光雷达是什么?

激光雷达是传统的雷达技术与现代激光技术相结合的产物,其工作在红外和可见光波段。激光雷达的作用是能精确测量目标位置( 距离和角度) 、运动状态( 速度、振动和姿态) 和形状,探测、识别、分辨和跟踪目标。

激光雷达技术为什么能用于大气环境监测呢?

这是由于激光雷达技术可以测量气溶胶、云、能见度、大气成分、空中风场、大气密度、大气温度和湿度的变化,对城市上空环境污染物的扩散和沙尘暴发生的过程等进行有效的监测。

检测的实时数据为研究气候变化、天气预报和自然灾害预报,建立正确的大气模型提供了有力依据。

 

激光雷达技术在大气环境监测中的应用

一、气溶胶及颗粒物的探测

气溶胶通过吸收和散射太阳辐射以及地球的长波辐射影响着地球—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重要的影响。尽管其在大气中的含量很低,但气溶胶和云对气候变化的影响还是很大的。


气溶胶是由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系。对大气气002溶胶进行探测使用的技术为 Mie 散射相关探测技术,应用该技术的激光探测雷达称为 Mie 散射激光雷达。

Mie 散射是由大气中粒径较大的悬浮物引起的激光波长不发生变化的弹性散射。

二、大气臭氧的探测

自然界中的臭氧,大多分布在距地面 20km ~50km 的大气中,我们称之为臭氧层。对大气臭氧进行探测使用的技术为差分吸收原理,检测大气臭氧的激光雷达称为大气差分吸收激光雷达。

大气差分吸收激光雷达通过同一光路同时发射两束波长相近的激光束,由于两束激光处于同一光路且波长相近,待测物质对两束激光有相同的影响,相互抵消误差可以大大提高激光雷达的抗干扰特性。

三、大气风速的探测

准确及时的风场数据可以提高长期天气预报的准确性,提高对飓风等恶劣天气跟踪及登陆预报的准确性。目前对大气风速测量的激光雷达多采用多普勒效应,该类激光雷达称为多普勒激光雷达。

多普勒激光雷达利用激光通过空气中的微粒( 云和雾中的灰尘、水滴、盐晶体、生物质燃烧气溶胶和污染的气溶胶) 后向散射的回波信号产生的多普勒频移进行测量,通过分析和处理这些测量信息得到高时空分辨率、高精度的实时风场数据。

四、大气温度、湿度的探测

温度对海洋、天气分析和预报、大气物理、环境的研究起到很重要的作用。目前,探测大气温度的激光雷达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。

随着人们对生活环境质量的要求越来越高,大气环境的有效监测和治理自然得到了广泛关注,而及时、准确、高效的监测是前提。

 

激光雷达探测技术今后的发展趋势主要体现在以下三个方面:

1、激光雷达技术的创新发展,主要指激光雷达系统中的硬件部分。创新和发展激光光源技术、发射和接收技术、信号采集和处理技术是提高大气环境监测精度的最直接方法。

2、从单一参数探测功能向多参数探测功能方向发展。目前具有多种单一探测功能的激光雷达技术,利用理论模型将多种技术进行有机融合,是降低探测成本和提高探测效率的有效途径。

3、从单一平台向多平台相结合发展,优势互补,提高容错纠错能力,如将传统的地基激光雷达与星载激光雷达探测手段相结合,建立相关的数据模型,从而扩大探测范围和提高探测精度。


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