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大气激光雷达

实验室资讯网时间:2018-11-18 点击: 百度搜索

【导读】1简介 国外在较早期已能够利用激光雷达对大气进行检测,目前已建有多个激光雷达观测站 [1] ,其中包括意大利那不勒斯观测站、美国激光雷达观测站、印度尼西亚斯马特拉岛观测站等。其中,美国对空基激光雷达在大气检测方面的应用较为成熟,1994 年9 月,美国利用发现号航天飞机搭载激光雷达发射成......
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1简介
国外在较早期已能够利用激光雷达对大气进行检测,目前已建有多个激光雷达观测站 [1]  ,其中包括意大利那不勒斯观测站、美国激光雷达观测站、印度尼西亚斯马特拉岛观测站等。其中,美国对空基激光雷达在大气检测方面的应用较为成熟,1994 年9 月,美国利用“发现号”航天飞机搭载激光雷达发射成功,完成了世界上第一次激光雷达空间技术实验;又于2000 年后发射了五颗搭载激光雷达仪器的卫星,为地球科学提供了大量的相关数据。俄罗斯研制了一种远距离地面的激光雷达毒气报警系统,这一系统是通过对气溶胶的特性研究获得的,通过对化学毒剂的实时探测,从而确定毒剂气溶胶云的离地高度、中心厚度以及斜距离等相关参数,从而为人们提供预警。 [2]  此外,德国也研制出了一种可发出40 个不同频率激光的连续波CO2 激光雷达,可识别和探测9~11 μm 波段光谱能量的化学战剂,可为大气环境的检测提供有效的数据。
与此同时,国内对激光雷达的应用和研究也在迅猛发展,20 世纪六七十年代,中国科学院大气物理所在周秀骥院士、吕达仁院士、赵燕曾研究员等主持下成功研制出了我国第一台米散射激光雷达,同时开展了有关云和气溶胶特性的探测工作。随着激光雷达在大气检测方面应用的不断发展,目前我国已经建立了12 个沙尘暴长期观测站。随着应用的不断扩大,国内已有许多单位开始运用激光雷达系统进行大气参数的探测研究,如安徽光学精密机械研究所、中国海洋大学、中国科学技术大学、上海光学精密机械研究所、武汉大学、兰州大学等。激光雷达监测环境大气的工作原理是:激光器发射激光脉冲,与大气中的气溶胶及各种成分作用后产生后向散射信号,系统中的探测器接收回波信号,并对其进行处理分析,从而得到所需的大气物理要素[8],具体原理如图 所示。 [3] 
 
2分类
(1)测风激光雷达
2001年,美国NASA的Goddard空间飞行中心研制了一台名为“GLOW的双边缘测风激光雷达。其发射系统利用一台种子注入,闪光灯粟浦的Nd:YAG固体激光器,重复频率为lOHz,发射脉冲宽度为15ns,频谱宽度为40MHz,波长为1064nm,脉冲能量为120mJ。其接收系统一共使用五个光电倍增管(PMT)进行信号检测,其中三路是透过F-P标准具的信号通道(其中两路作为边带,另外一路作为锁定通道),另外两路是能量监测通道。信号通道的PMT工作在光子计数模式下,而两路能量监测通道分别采用光子计数模式与模拟工作,其中模拟工作方式的光电倍增管用于采集近距离强回波信号,而光子计数模式的光电倍增管用于采集远距离处回波信号以提高测量的动态范围。2002年,美国密歇根大学研制了一台利用条纹技术的双通道直接测风激光雷达。其发射系统利用一台种子注入的Nd:YAG固体激光器,经过倍频,发射波长为355nm,脉冲宽度为7ns,重复频率为30Hz,脉冲能量为150mJ。接收系统使用两个CCD探测器和1个光电倍增管进行信号检测,两个CCD探测器的分辨率为576*384 (pixels)0回波信号分别通过气溶胶标准具和分子标准具产生各自的条纹图像供CCD釆集。PMT则直接接收回波信号,用于协助判断是否有云在激光雷达视场中,以便于抛弃无用的数据。 [4] 
1999-2009年之间,欧洲空间局研制了一台名为“Aladin”的直接测风激光雷达,该雷达将搭载在Aeolus卫星上,从太空中观测全球范围的风廓线,目前己经成功进行机载实验。该激光雷达的发射系统利用Nd:YAG固体激光器倍频后发射波长为355mn的脉冲激光,脉冲能量为125?150mJ,重复频率为lOOHzo接收系统包含两个通道,同时对米散射和瑞利散射回波信号进行釆集,用于提升探测的高度范围。米散射信号通道采用条纹技术,使用Fizeau干涉对回波信号进行处理。瑞利散射信号通道使用双边缘技术,使用F-P标准具过号靣均使用#制的16*16(pixels) CCD探测器进CCD探测器上内置了存储区域,可以直接在探器上完成信号的累加,从而大大降低了读出噪声的影响。 [4] 
2007年,青岛海洋大学成功研制了基于碘分子滤波器的车载测风激光雷达。其发射系统由倍频Nd:YAG的脉冲固体激光器和双波长,窄线宽,可调谐半导体粟浦的种子激光器组成,发射波长为532nm的脉冲激光,单脉冲能量4mJ,重复频率500Hz。接收系统分为两路信号,一路通过碘分子滤波器,由光电倍增管接收,用于进行频率检测。另一路直接由光电倍增管接收,用作能量测量,作为参考。两个光电倍增管均工作在单光子计数模式下。
2011年,中国科学技术大学研制了瑞利散射的测风激光雷达,其发射系统采用种子注入锁定,二极管粟浦的Nd:YAG固体激光器,产生三倍频355mn波长的脉冲激光,脉冲宽度为3-7秒,脉冲能量为400mJ,重复频率为30Hz。接收系统共使用五个探测器,从激光器直接输出的部分光作为参考光,其分为两束,一束直接由光电倍增管接收,用于能量测量,另一束通过三通道F-P标准具的锁定通道后由光电倍增管接收,用于频率测量。激光回波则分为三束,其中一束直接由单光子计数器接收,用于能量测量,另外两束通过三通道F-P标准具的两个边缘通道,然后分别由两个单光子计数器接收,用于对多普勒频移进行测量。 [4] 
(2)差分吸收激光雷达
1995年,美国斯坦福研究院研制了一款基于C02激光器的差分吸收激光雷达。其发射脉冲宽度为50-100ns,波长为9-ll^ml,重复频率为lOHz,脉冲能量为4-5J。光电探测器使用的是液氮冷却的HgCdTe探测器。这台激光雷达成功进行了 16公里的SF6气体探测实验。2002年,日本电力中央研究所研发了一款多波长差分吸收激光雷达,其发射系统使用的是Nd:YAG粟浦的染料激光器,重复频率为lOHz。其接收系统使用的光电探测器是光电倍增管。
3探测
(1) 云、气溶胶和边界层的探测
气溶胶、云和边界层是影响气候变化的3 个重要因素,它们的变化往往会影响到大范围区域内的天气变化。大气气溶胶系统的作用是复杂的,悬浮于大气中的微粒的直接相互作用可以将太阳光反射或者吸收,这些颗粒还可以间接地改变云的性质。对于天气的变化,云层不仅仅可以起到指示的作用,还可以对其进行调节,此外,地球气候系统的辐射能量收支也可以通过云经行调控,所以全球气候在很大程度上会根据云参数的变化而变化。边界层高度的确定与云、气溶胶特性变化规律同等重要,是大气边界层的重要参数,所以对于空气污染物的传输模式、扩散以及污染物预报模式而言,确定边界层并准确掌握其变化规律是首要任务。 [3] 
国外利用激光雷达对于云、气溶胶以及边界层的研究较深入,欧美等国家都相继展开了利用一些星载激光雷达对云、气溶胶及边界层进行探测的工作。美国是这方面的先行者,继1994 年9 月,利用“发现号”航天飞机搭载激光雷达成功发射之后,于2003 年又利用ICESaT(Ice,Cloud and Land Elevation Satellite)卫星成功搭载了GLAS (Geosciences Laser Altimeter System)激光雷达,这是一台在轨运行的星载激光雷达测高仪,它可以精确地对云、气溶胶及边界层的相关特性进行探测。除此之外,欧空局于2008 年发射由ADM-Aeolus(Atmospheric Dynamics Mission Aeolus)卫星所搭载的ALADIN(Atmospheric Laser Doppler LidarInstrument)大气多普勒激光雷达,实现了对30 km 以上地球大气风速分布的测量;2013 年欧空局又提出了研究对地监测的新方法,ALADIN 现能扫描各个方向的光束,包括卫星的背面,它通过比较多普勒频移造成的光频移动,就能测量大气中的分子运动,由此能推算风速,并获得云、气溶胶的相关特性。 [5] 
目前,在气候研究中应用最广泛激光雷达的是美国航天航空局于2006 年4 月28 日由德尔塔-Ⅱ火箭搭载发射成功的CALIPSO (Cloud-Aerosols Lidar andInfrared Pathfinder Satellite Observations) 卫星上的云-气溶胶正交偏振激光雷达CALIOP (Cloud-AerosolsLidar and Orthogonal Polarization)。CALIOP 是一台偏振敏感双波长激光雷达,系统中的激光器可以分别发射532 nm 和1 064 nm 波长的激光作为的输出脉冲,532 nm 通道获得的回波信号可以进行正交偏正检测,从而分辨云的冰相和水相,而气溶胶的尺寸可以通过两波长之间的后向散射信号差来区分。该激光雷达可提供30 m 的垂直分辨率,随着卫星绕地探测,为大气科学提供了丰富的气溶胶垂直分布和云的特性信息。CALIOP 是典型的空基激光雷达,由于高空的空气质量明显高于低空,激光的衰减较小,故在垂直高度上能测量出更长距离的高空数据。另一方面,随着卫星围绕地球做周期性的运动,它可以进行全球范围的观测,包括沙漠、海洋、南北极等其他激光雷达难以观测到的地区。CALIOP 能够获得高空、远距、长期、季节性的数据,这为气象监测工作提供更加全面的信息。CALIOP 的观测结果可以用来作为模式输入,与模式结果进行比较,以验证模式结果或其他观测工具的观测结果。CALIOP 在气候研究中的主要应用包括探测气溶胶的垂直分布和水平特征,诊断云量和云的垂直分布,计算云和气溶胶的光学特征,估计火灾、火山爆发、风暴等对气溶胶浓度的影响等,通过这些计算和分析可了解气溶胶和云的变化规律,从而更加清晰地认识它们是如何影响气候的。 [6] 
除此之外,一些学者使用米散射、偏振、微脉冲、共振荧光激光雷达对不同区域进行了探测,并根据探测及反演得到的距离平方校正后向散射系数、回波信号、消光系数、退偏振率、散射比等物理量来分析和研究云和边界层、对流层、平流层的气溶胶的结构特征及时空分布,并对这些特征的成因做了进一步的讨论分析。
中科院安徽光学精密机械研究所大气光学中心成功研制了一台拉曼-米-瑞利散射多参数大气测量激光雷达系统,并利用其拉曼-米散射通道采集数据,对边界层内532 nm 大气气溶胶后向散射系数、消光系数以及激光雷达比(即消光后向散射比)进行了定量的测量。此外,他们还利用研制的激光雷达,实现了对夏秋季节合肥地区气溶胶光学特性的测量。结果表明,激光雷达比垂直廓线没有明显的突变,这说明夜间近地面气溶胶微物理性质相同,且混合较均匀。夏季气溶胶的激光雷达比平均值相对较大,秋季较小,但总体变化不大。夏秋季气溶胶激光雷达比稍有不同的原因可能与气溶胶组成成分略有变化或者气象因素有关。在夏秋两季节内,激光雷达比各天观测结果变化不大,由此可以得出,在同一季节内,气溶胶的组成成分和微物理特性相同。 [3] 
(2)大气成分的探测
环境问题已成为当今社会的一个敏感话题,大气层环境的变化直接影响着人类的生存和经济的发展。差分吸收激光雷达是最早应用于测量大气成分的仪器,它可以重复性测量大气痕量气体(CH4、CO2、NO2、SO2、O3 等)。自1975 年起,国外就开始使用这种仪器来探测大气成分,之后利用该类型激光雷达测量臭氧及其他痕量气体的技术就不断地在各个国家新兴起来。 [3] 
目前监测网中大部分O3、NO2 和SO2 的监测设备均为基点式仪器,该种设备无法监测大气中相关气体的空间分布信息。习惯上,一般都是利用球载探测仪来探测O3、NO2 和SO2 的空间分布数据,但通过此方式获得的数据一般空间和时间分辨率都不高,为此,在国家863 计划信息获取与处理技术主题和中国科学院的支持下,2002 年6 月,我国自主研制了车载测污激光雷达系统,其各污染物测量精度均很高。
与此同时,张寅超等运用该系统首次给出了北京市近地面层大气O3、NO2 和SO2 的激光雷达测量数据,他们分别对中科院大气物理研究所铁塔分部和北京市大兴区北藏乡进行了大气O3、NO2、SO2 以及气溶胶的实验监测,首次给出了北京市近地面层大气O3、NO2、SO2 的激光雷达测量数据,并且将地面仪器的监测数据与所得的测量数据进行了比对。结果显示,该激光雷达的O3、NO2、SO2 测量值与地面仪器的测量数据基本相符,相关系数分别可达到0.88、0.75和0.90,这表明车载测污激光雷达的测量结果可信度是很高的。
(3)温度的探测
激光雷达对大气温度的探测也起着至关重要的作用,主要有以下3 种:瑞利散射激光雷达、拉曼激光雷达和高光谱分辨率激光雷达。目前,瑞丽散射激光雷达凭借其空间分辨率高、探测灵敏度高和探测无盲区等优点,广泛应用于大气温度探测中。Fiocco 等早在1971 年就已成功利用瑞利散射激光雷达对大气温度进行了测量。除此之外,拉曼激光雷达在温度探测方面的应用也是比较常见的,该类型激光雷达根据其工作方式的不同可分为转动型和振动型。转动拉曼散射激光雷达可以实现对底层大气温度分布的测量,其探测主要是通过利用温度与分子的转动谱线强度的关系实现的,而探测对流层中上部大气温度分布则可以通过振动拉曼散射激光雷达接收到的回波信号获得。 [3] 
参考资料
1.  华灯鑫,宋小全.先进激光雷达探测技术研究进展: 红外与激光工程,2008
2.  WEIBRING P,ATOMIC PD.Remote ana-lysis of gas mixtures using an optical parametric oscillator based ladar system:Europe:Lasers and Electro-Optics Europe,2003
3.  姚欢, 倪晓昌, 王宣.大气激光雷达技术的研究进展:天津职业技术师范大学学报, 2014
4.  文斐.激光雷达数据采集系统框架研究:中国科学技术大学,2013
5.  PAFFRATH U,CHRISTIAN L,OLIVER R .The airborne demonstrator for the direct-detection doppler wind lidar ALADIN on ADM-Aeolus. Part I: Instrument design and comparison to satellite instrument:Journal of Atmospheric & Oceanic Technology,2009
6.   杨辉,刘文清,陆亦怀.北京城区大气边界层的激光雷达观测:光学技术,2005
(本文来源:科普中国 · 科学百科 )

(责任编辑: 龙景)

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