□李 雪

激光雷达的早期应用主要是精密测距。例如，用激光雷达测量地球上一点到月球的距离，测量精度能达到几厘米。利用地面激光雷达对卫星合作目标的精密测距和跟踪，可进行地震预报。为此，可把一个带有后向反射器的卫星发射到5，900 公里高的轨道上，激光雷达测距系统可以测出地球表面上数厘米的位移。小型激光雷达可用作距离的精密测量仪器。激光雷达系统可以从地面、飞机、船舰和空间平台上对目标进行精密跟踪。例如，用于两个宇宙飞船交会、对接、分离、位置保持和监视。此外，激光雷达也可应用于空中交通管制、气象预报以及土地测绘等方面。激光雷达在目标成像和目标识别方面的应用日益受到重视。激光雷达成像系统可以提供高分辨率的图像。激光雷达可以作为大气检测的工具，它有很多用途，一来可以遥测大气中的污染和毒剂，二来可以对大气的风速、温度、能见度及云层高度等进行测量。激光遥感技术的应用，为大气检测提供了很重要的技术支持。

一、激光雷达测量大气温度

大气温度的测量，通常是以探空气球来进行量测，范围大约是从地表到三十公里，或是使用探空火箭与卫星来对更高的高度做温度测量。近年来利用激光雷达技术也能实时测量大气温度的分布。由于是直接量测自空气返回的雷射散射光，地面的侦测装置可以立即接收到高空(100km 约需600μs)的散射光讯号。因此雷射可以应用在对大气的“实时遥测”，其原理就是应用雷射在穿透介质时与介质的各种作用，观测空气与雷射作用后发出的讯号，能提供空气以及空气中其它组成分子的许多重要信息，例如空气的压力、密度、温度、湿度、风速等等，对于空气及地球环境监测有重要的应用价值。地球大气中氮气与氧气分子占了绝大多数，其它的气体和微粒(aerosol)在大气中只占了小部分，当光的电磁场影响到远较光的波长为小的气体分子的时候，介子受光所感生的电偶极辐射称为Rayleigh 散射。利用Rayleigh 散射量测温度的最大的缺点就是低空的限制，这个限制主要是因为地面大气中的微粒。微粒的大小从数个到几百个微米(μm)不等，相当于激光雷达所使用的雷射光波长，它受光影响所发出的辐射为Mie 散射，波长与Rayleigh 散射相同，但散射截面大1，000 倍，所以微粒的Mie 散射与空气的Rayleigh散射就混杂在一起而无法区分。

既然利用Rayleigh 散射来测温度的方法不适用于低空，因此低空温度的测量必须利用其它的方法，例如Raman 散射。空气分子将光吸收后激发至新的振动和转动态，而辐射出该分子特有的振动与转动光谱，这就是Raman 散射光谱的一种。因此选择特定的波长范围作测量就可以了解某种分子的状态与分布。温度的不同会影响到分子振动与转动态的分布机率，所以测量Raman 散射光谱的强度分布变化就能得到大气的温度分布。

二、紫外差分吸收激光雷达测量平流层臭氧

在进行激光雷达对大气水汽空间分布测量时，Schotland提出了差分吸收激光雷达的基本概念。两束激光(波长极为相近)，由DIAL 激光雷达发射出，这两束激光中，有一束被待测气体大量吸收，是波长为λon的激光;另一束并没被待测气体吸收或者是吸收的很少，这束激光的波长为λoff。通过对两束激光回波强度的检测可以推算待测气体分子的浓度。

激光雷达方程和UV - DIAL 测量臭氧方法

一束激光发射到大气中，它的波长为λ 、脉冲能量为E ，假如高度Z 处的臭氧浓度为n(z)，则激光雷达接收到的回波光子数满足激光雷达方程为:

这里Ki代表的是激光雷达系统效率、h 代表的是Plank常数、c 代表的是光速，αi是波长为λi的臭氧吸收截面，βi(z)代表的是大气后向散射系数，αi(z)代表的是消光系，二者的两个组成部分都是气溶胶还有气体分子。由方程(1)，那么平流层臭氧分子浓度可以利用UV -DIAL 激光雷达测量得到，z 和z' = z + z 大气厚度层内的平均臭氧浓度N(z)可以由下式计算:

后向散射B 和消光EA分别为:这里，臭氧吸收截面差Δσ =Δσon-Δσoff，其中αA代表的是气溶胶的消光系数，αM代表的是分子的消光系数。

计算背景、原始数据平滑及求微分或差分数据处理是主要的数据处理，计算臭氧数密度及进行气溶胶影响的订正。波长308 nm 处臭氧吸收截面随温度变化，这里按下式进行温度修正:

其中℃是T 的单位。波长355nm 的臭氧吸收截面为613 ×10-23cm2。通过对气压和气温的计算，可以计算出后向散射系数，也可以计算大气气体分子的消光系数。进行气溶胶订正时，利用532nm 波长探测的平流层气溶胶的散射比，经波长变换后订正气溶胶的影响。

三、结语

通过学习激光遥感技术，了解到激光遥感技术在大气参数测量中的重要性，并体会到激光遥感技术在大气参数的测量的应用日益广泛。因此，了解并掌握激光雷达的探测原理和方法对于天气分析和预报有着十分重要的作用和意义。

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