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谈激光雷达在大气探测中的运用

摘要:激光自问世以来已被广泛地应用于各个领域。在气象上,激光技术多半用于大气探测。1963年,美国气象工作者成功地研制出用于大气平流层探测的激光雷达;3年以后,我国也研制出红宝石激光雷达,并且从1970年开始,利用激光技术,卓有成效地开展了精确测盆云高、遥测烟雾扩散和测量大气消光系数分布等工作。

关键词:激光雷达大气探测

激光自问世以来已被广泛地应用于各个领域。在气象上,激光技术多半用于大气探测。1963年,美国气象工作者成功地研制出用于大气平流层探测的激光雷达;3年以后,我国也研制出红宝石激光雷达,并且从1970年开始,利用激光技术,卓有成效地开展了精确测盆云高、遥测烟雾扩散和测量大气消光系数分布等工作。激光的优点是高亮度、高方向性、高单色性,因而激光雷达可以测得很远很远的目标物,与普通气象雷达互为补充。一般来说,激光雷达更适宜探测晴朗的天空。大气探测激光雷达主要是用来探测大气中的分子、烟雾的密度、温度、风速、风向及大气中水蒸气的浓度的,以达到对大气环境进行监测及对暴风雨、沙尘暴等灾害性天气进行预报的目的。

一、激光雷达的原理和结构

激光经过Q开关能得到宽度为10～30毫微秒的脉冲光。在这个脉冲宽度时间内,光能向前传播3-9米。因此,能把方向性强的脉冲激光送到大气中,并测量被散射、反射回来的时间,这样就能以1.5一4.5米的精度(因往返而减半)计算目标的距离,而且根据反射信号的光强度能知道目标(散射体)的浓度等信息。在激光对准的方向上进行扫描就能得出空间分布图。

与距离平方成正比地减小,它呈现A形。因此,以横轴为距离、纵轴为强度的显示器叫A一显示器。

当目标是反射率为r的物体(假如是全方位散射和反射的朗伯反射板)时,(1)式中的P(R)l可以换成r/。被接收的信号光可由光倍增管等光检测器变换成电信号(模拟量,再通过瞬态记录器等多路高速A/D变换器使信号数宇化,然后用计算机进行处理。

二、应用领域

1、测距

利用激光雷达空间分辨力高的特点,可以测量飞行物体和远处物体的距离,这可分为以下两个方面:

(1)精密雷达图象。

(2)宇宙一地球规模的测量。

其中(1)可以用于航空领域,识别飞行体的形状。(2)是属于与天文学、测地学和地球学有关的应用领域,能够准确地测量月球以及人造卫星与地球之间的距离。在洲际精确侧量位置关系,以及测量地球旋转运动和地球形状的变化等。

2、分布图

这是以信号强度作为空间r和时间t的函数C(r,t),对澎光发射方向进行扫描,求二维、三维数据。数据的显示方法与一般雷达一样,有下面几种:

(1)A型显示器(横轴:距离;纵轴:强度);

(2)THI显示器(横轴:时间,纵轴:高度,浓淡:信号强弱);

(3)PPI显示器(纵横轴:平面坐标;浓淡:信号强度)

(4)RHI显示器(横轴:距离;纵轴:高度,浓淡:信号强度)。

其中(2),(4)是二坐标数据显示,但也能用来显示有三坐标数据的远景图。

测量分布图的领域有:

(1)环境、公害测量;

(2)气象、大气物理领域;

(3)高层、超高层现象。

其中(1)包括求污染发生源和一般环境中的污染物质(粉尘和大气污染气体)浓度的空间分布,以及根据污染物的形状和随时间变化的情况测出大气结构(例如混合层、逆温层结构)和烟雾的扩散状态。(2)包括测量上空温度、湿度的垂直分布情况以及研究云、降雨的发生和消失过程。(3)从地面上测量同温层和中间层的大气现象,包括测量同温层气体溶胶、同温层臭氧、中间层碱性金属(Na,Li,K等)、压力变化和温度等。目前NASA(美国国家航空和宇航局)正在研制装在宇宙飞船和卫星上的激光雷达系统。同温层气体溶胶、同温层臭氧、中间层碱性金属(Na,Li,K等)、压力变化和温度等。目前NASA(美国国家航空和宇航局)正在研制装在宇宙飞船和卫星上的激光雷达系统。

此外,用来测量海洋、湖泊中叶绿素以及含有铀化合物的矿石等激光雷达,也正在研究之中。

作为一种重要的主动遥感工具,激光雷达系统在现代高科技领域的应用越来越广泛了。但是,由于激光雷达的技术难度比较高,有些技术至今尚未完全成熟,因此它还存在一些固有的缺点,例如:大气对激光的吸收和散射要比微波或毫米波要大得多,因此激光穿透大气的能力不够,受大气及气象的影响也较大;大气衰减和恶劣天气都会降低激光的作用距离;大气湍流也会在一定程度上影响其测量的精度。这些因素都使得激光雷达的应用范围受到了一定的限制。随着机械、激光技术日新月异的发展以及先进的信号探测和数据采集系统的开发应用,相信激光雷达这种先进的探测设备将会在大气探测及众多的相关领域发挥更加重要的作用。

参考文献:

[1]李强.大气探测激光雷达的进展研究[J].科技信息,2010.05

[2]钱煜、张宝安、潘君骅.高空大气探测激光雷达的安装与调试[J].光学技术, 2002.07.