激光雷达技术在气象中的应用.docx

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激光雷达技术在气象中的应用

激光雷达论文

激光雷达技术在气象中的应用

摘要

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是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）。

本文主要介绍了激光雷达在气象要素即大气温度、大气湿度和风速中的应用。

关键词：

激光雷达气象要素温度风速

一．引言

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是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）。

在大气环境污染观测中有关风速、气温、湿度等气象要素是不可缺少的重要参数，所以可以将激光雷达技术在气象中的应用按其要素分为在大气温度检测中的应用、在大气湿度检测中的应用、在风速检测中的应用。

二．激光雷达在大气温度检测中的应用

在进行大气物理特性测试、天气预报相关大气参数的获取以及环境监测等领域中,大气温度是至关重要的一个参数。

大气温度及其分布的相关信息的准确获取,对正确评估大气物性及其变化趋、!

对流活动、云层状态等一系列构成大气复杂系统的参量,具有及其重要和最基本的意义。

目前大气温度探测较成功的系统有瑞利散射激光雷达系统和转动拉曼散射激光雷达系统,理论及已发表的研究成果表明,这两种系统是在理论和实际应用上都各有优势、物理上可实现的系统。

2.1基于瑞利散射的大气温度检测研究

瑞利散射是一种中心波长与入射激光波长相同,谱宽依存大气温度变化的弹性散射,它是由散射体粒径比激光波长小的分子或原子引起的散射现象,主要用于大气温度、大气分子密度等参数的测量。

2.1.1基于测量瑞利散射回波能量的方法

基于测量瑞利散射回波能量方法的瑞利散射激光雷达可实现对大气温度的探测。

目前国际上利用激光雷达探测大气温度大多是利用该方法,如加拿大WesternOntario大学的瑞利散射激光雷达系统、美国通讯研究实验室（CRL）的瑞利散射激光雷达系统等。

这类激光雷达以理想气体方程和流体静力学方程为理论基础,利用了大气分子的瑞利散射与大气温度的关系来探测大气温度剖面。

其主要思想是:

（l）认为30km以上的大气回波主要是分子瑞利散射信号,忽略气溶胶粒子的散射;

（2）假设已知某一高度上的大气密度,可得到大气密度分布;（3）结合理想气体状态方程和大气静力学方程求得大气温度。

然而研究表明,在30knl以下的高度,难以进行精确的测量,其原因主要是由于低空气溶胶的存在,干扰了大气分子瑞利散射的测量。

因此采用此方法的瑞利散射激光雷达只能测量30一90km高度的大气温度剖面,而不适于低空测量。

2.1.2基于测量瑞利散射半高线宽的方法

研究表明,大气分子的瑞利散射谱的宽度（半波长线宽,FWHH）是温度的直接函数,即散射谱的FWHH近似正比于大气温度的平方根。

根据这一理论,通过测量出瑞利散射的FWHH即可得到大气的温度。

这种方法是一种频域测量的方法,由于米氏散射的FWHH非常窄,通常只有几十MHz,而瑞利谱的FWHH要远大于米氏散射谱的FWHH,大约在IGHz左右,因此该方法可以在频域上有效滤除气溶胶产生的米氏散射干扰,使得瑞利激光雷达在30km以下也能够得到应用。

瑞利散射谱的FWHH的通常能够通过分子吸收滤波器测得,通常使用碘分子1109吸收线作为边缘滤波器。

若使激光出射频率扫描1109吸收线,则不同高度、不同温度的大气后向散射光通过碘吸收池后,将产生不同的透过率强度,以此来达到检测温度的目的。

所谓测量相对透射率即把大气后向散射光分成两部分,一路由探测器直接测量,另一路通过碘滤波器后被探测器接收,两路比值即可得到相对透射率。

然而,大气瑞利散射谱的FWHH不仅仅与温度有关,而且和气压也有一定的关系。

随着气压的增大,散射谱中碰撞展宽所占的比例也就越大,散射分量就越多大。

特别在低空大气中,大气瑞利散射谱的FWHH就不再严格正比于温度的平方根,而是存在比较大的偏差。

这样使得探测的精度不高,大约只有5K左右。

[1]

2.2基于拉曼散射的大气温度检测研究

拉曼散射是散射分子在照射光照射下产生的电磁极化,使它们的转动能态和振动能态发生变化,结果使得散射光子频率不同于入射光子。

它是激光与大气中各种分子之间的一种非弹性相互作用造成的结果,其最大特点是散射光的波长和入射光不同,从而产生了向长波或短波方向的移动,而且散射光波长移动的数值与散射分子的种类密切相关。

其散射截面是各种散射机理中较小的一种,需要高效率的分光及检测系统,但由于其特殊的散射机理,很适合用来探测大气温度、水蒸气密度和大气成分。

2.2.1基于转动拉曼散射的方法

纯转动拉曼激光雷达利用N2或O2分子的转动谱线强度与温度的关系可以测量底层大气的温度分布。

由于拉曼散射光子数的多少与该气体的分子数的多少成正比,因此接收不同高度上待测气体分子的拉曼后向散射光回波能量的大小即可确定该气体的浓度。

实际探测中,为了减小测量误差,通常以大气中含量稳定以及由实验精确测定的N2或O2分子的拉曼散射回波作为参考标定值,以获得较为可靠的气体分子的浓度探测值;然后将两者相比较,可以得到待测气体的相对浓度。

拉曼散射的谱宽相对较大,对激光器的频率特性及分光器分辨力的要求相对较低,是一种结构相对简单、成本较低、却很有潜力的激光雷达。

AndreasBehrendt及yuriAishinovl30]等相继开发出高精度测温拉曼激光雷达系统。

然而,由于拉曼散射信号的强度相对于气溶胶引起的米氏散射及大气分子引起的瑞利散射要小3一4个数量级,高精度的测量需要大的激光能量和望远镜接收系统。

特别对存在高密度气溶胶的边界层内的白天测温,需要设计一个既能高精度去除太阳背景光及干扰信号（米氏、瑞利散射信号）,同时又能保证足够测量信号信噪比的高精度、高效率的分光器。

虽然目前利用纯转动拉曼激光雷达已能对较高对流层及夜间的大气温度进行较高精度的测量，但对白天边界层内的大气温度进行高精度测量一直是激光雷达遥感的技术难题。

2.2.2基于振动拉曼散射的方法

利用N2分子振动拉曼散射的回波信号,通过扣除大气透过率的影响,可以得到N2分子密度。

通常认为大气中N2分子的体积混合比是常数,从而可以得到大气分子的密度,然后结合大气静力学方程和理想气体状态方程可以得到大气温度,故激光雷达可利用其振动拉曼散射回波探测对流层中上部大气温度分布,相对转动拉曼频移来说,振动拉曼频移要大许多,对光谱分辨率的要求更低,故可以弥补瑞利雷达和转动拉曼激光雷达高度上的不足。

美国戈达德航天飞行中心以及法国国家科学研究中心等研制的振动拉曼激光雷达最大探测高度达25-30km。

但是N2分子振动拉曼散射较转动拉曼散射还要小大约1-2个量级,故对其信号检测能力要求更高。

[2]

三．激光雷达在大气湿度中的应用

水汽在大气中的含量虽然很少，但却是时空变化最活跃的一种气体成分。

它是生成云和降雨必不可少的因子，对天气和气候的变化有着重要的影响。

水汽在红外波段有许多吸收带，它能吸收相当一部分太阳辐射能，从而使它成为平衡地气系统辐射收支的一个重要因素。

水汽的这些重要影响与其含量及其垂直分布特征有着密切的关系。

拉曼和差分吸收激光雷达均可以探测水汽的空间和时间分布特征。

早在60年代末期，Melfi和Cooney等就首先论证了利用Raman光谱技术探测大气中水汽垂直分布的可行性。

随着激光技术和弱信号探测技术的发展,激光雷达探测水汽的能力逐渐提高,尤其进入90年代以来,激光雷达在探测水汽的高度、空间和时间分辨率、测量精度上都得到了迅速发展,显示了它在捕获水汽的空间结构和随时间变化特征等方面具有优越的能力。

[3]

四．激光雷达在风速检测中的应用

风速是气候学研究的重要参数之一，大气中风速的测量对研究全球气候变化，提高数值天气预报的精度，监测机场气流、优化飞机、轮船航行路线十分重要，局部地区风场特征在火箭发射、航天飞机的起飞和着陆以及军事等方面都具有重要的意义。

利用激光多普勒雷达来监测风场具有其他技术无法比拟的优点。

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。

多普勒测风激光雷达的探测方式分两种：

相干（外差）探测和非相干（直接）探测方式。

无论是相干、还是非相干多普勒激光雷达系统都是测量大气风场的强有力的工具。

相干检测方法的优点在于：

高信噪比，等效噪声功率接近理论极限。

这是因为首先本振激光可以提供足够的信号能量;其次，相干检测仅对信号中的频率信息敏感，对于信号能量起伏敏感；还有，相干检测得到中频信号可减小系统接收带宽，这样既可以压缩信号带宽，又便于频率探测。

相干检测也有很大的局限性，主要表现在：

①相干多普勒激光测风雷达系统一般采用10.6µm的CO2激光器，而10.6µm的Rayleigh散射系数要比短波长的1.06µm或532nm的Rayleigh散射系数小4个量级，因此在气溶胶散射可以忽略的30～80km大气层范围内利用CO2多普勒激光雷达难以探测到风场。

②对于短波长，如2µm或1.06µm相干激光多普勒雷达，Rayleigh散射系数强一些，但是Rayleigh散射谱线的半高全宽（FWHM）约为2.4GHz，这对相干检测来说过宽。

③根据天线理论，相干检测的光学准直要求十分严格。

要得到高的相干效率，雷达系统接收视场角Ω必须满足ArΩ=λ2，其中Ar是接收面积，λ是波长。

接收视场角的失准严重影响相干效率，对短波长的相干多普勒激光雷达系统来说，校准的要求更为苛刻。

④大气扰动引起的光学畸变会引入相干损失，这在短波长相干多普勒激光雷达系统中更加明显。

自1966年首次使用相干激光雷达测风以来，经过半个世纪的发展，地基相干系统已经相当成熟，但是由于其对发射激光的相干性要求高，对发射、接受光学系统质量要求严格，技术实现难度大，容易受空气湍流的影响，一般只能用于边界层小风速的测量。

非相干激光多普勒测风雷达系统的发展要晚于相干激光多普勒雷达测风系统，近20年来，非相干检测技术逐渐受到高度重视,具有广阔的发展前景。

相对于相干检测，非相干检测有如下特点：

①由于没有相干效率的限制，系统接收视场可以是衍射极限的几百倍，这允许发射激光束有相对大的发散角。

②由于每次测量是空间单元的平均，大气散斑的几乎没有相干损失，影响可以忽略。

③工作在短波长，如1.06µm、532nm或355nm的非相干多普勒激光雷达可获得更大数量级的Rayleigh散射信号，提高风场的探测高度。

④利用非相干多普勒激光雷达可以同时分析Mie散射和Rayleigh散射。

五．参考文献

[1]吴永华,胡欢,胡顺星等.瑞利散射激光雷达探测平流层和中间层低层大气温度[J].大气科学,2002,26（l）:

23-29.

[2]吴永华,李陶,胡顺星,等.瑞利-拉曼散射激光雷达探测大气温度分布[J].中国激光,2004,31（7）:

851-856

[3]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].气象与环境学报，2009,25（5）：

48-56

[4]梁琨.基于布里渊激光雷达的大气温度测量系统的研究[D].武汉：

华中科技大学，2008：

8-12

六．心得体会

在这次课程报告小组合作任务中，我们组选择的是大气遥感大方向，又根据实际情况分成三个小组，每个小组研究不同的具体方向，我们小组的方向是在气象中的应用，其他小组分别为在卷云探测中的应用和在气溶胶检测中的应用。

自己的任务是负责小组论文以及查找用来制作PPT的与本课题有关的图文资料。