激光雷达在气象和大气环境监测中的应用探讨

激光雷达在气象和大气环境监测中的应

用探讨

摘要：在科学技术持续发展的时代背景下，诞生了许多先进且实用性强的仪

器设备，而激光雷达便为其一，此设备凭借实时预警、跟踪等功能，在气象与大

气环境监测中得到广泛化应用。本文围绕激光雷达的基本结构与分类，从多方面

剖析其在气象与大气环境监测当中的实际应用情况，望能为此领域应用研究提供

一些参考。

关键词：气象；大气环境；激光雷达

激光雷达实为一种具有主动式特点的光学遥感设备，乃是多种技术紧密融合

后而形成的产物，如现代激光技术、传统雷达技术等；需要指出的是，激光雷达

将激光当作光源，借助辐射信号（由目标物与探测激光彼此作用而产生）来对目

标物进行遥感。激光雷达较之传统的微波雷达，因所用的为激光束，因而有着更

2.激光雷达的种类

（1）依据激光器不同的工作物质，可将激光雷达划分成三种类型，分别是

固体激光雷达、半导体激光雷达与气体激光雷达。针对气体激光雷达而言，其最

具典型性的为CO激光雷达，此雷达于红外波段工作，有着比较小的大气传输衰

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减率，并且还有着较远的探测距离，已被广泛应用于大气风场、环境监测领域中。

对于半导体激光雷达来讲，其所具有的优点为驱动简单、尺寸小及价格低，在云

底高度测量等领域中较好应用。针对固体激光雷达来分析，其多用作探测大气当

中的有害气体成分及大气气溶胶、能见度、温度廓线等。（2）依据激光与大气

之间不同的作用方式与探测目的，可将激光雷达划分成多种类型。①米（Mie）

散射激光雷达。其实为一种借助米散射机制对低空大气（＜36km）当中的气溶胶

粒子（比如云雾、尘埃等）进行探测的激光雷达类型。针对Mie散射来讲，其基

本特点即为散射粒子在具体的尺寸上，相近或大于入射激光波长，而在相应的散

射光波长上，则相同于入射光，散射时无光能量方面的交换，实为弹性散射。②

瑞利激光雷达。其主要是借助瑞利散射机制，探测中间层大气（高度＞30km）当

中的气温、大气波动、密度情况，需要指出的是，如果激光光束大于粒子半径，

此时，所产生的散射便是瑞利散射。另外，瑞利散射同样是一种弹性散射，在＞

30km的大气回波多为分子瑞利散射，能够将气溶胶粒子相对应的米散射信号予以

忽略。③拉曼散射激光雷达。其通过对水汽、氮气分子对激光的拉曼后向散射回

波型号同时接收，得到水汽混合比相对应的垂直分布；需要强调的是，拉曼散射

实为激光与大气当中多种分子间的一种相互作用且非弹性的过程，其突出特点即

为散射光的具体波长不同于入射光，且移动至长或者短波方向。此种雷达可以围

绕低空范围内的大气温湿度，开展持续且高时空分辨率的探测，还能用于对环境

且得出：“人为气溶胶的气候强迫效应实为造成全球气候变化的关键诱因”。有

研究分别用微脉冲激光雷达、Mie散射雷达等来探测青藏高原、南北极的各地区，

且通过反演、探测所得距离平方，对消光系数、散射比、回波信号、退偏振率及

后向散射系数等物理量进行矫正、分析，借此对平流层、对流层的云、气溶胶及

边界层相对应的失控分布等进行研究，深入探讨了此些特征的主要成因。

3.2探测温度

温度实为一项十分关键的气象参量。大气温度在研究海洋、天气预报、大气

物理等方面，均起到关键性作用。现阶段，可对大气温度进行探测的激光雷达为

拉曼激光雷达、瑞利散射激光雷达等。针对瑞利散射激光雷达而言，其所具有的

优点为时空分辨率好、探测灵敏度高等，另外，还能借助瑞利散射机制（激光与

大气分子之间），产生高质量的雷达回波，无大气探测盲区。但有研究指出，在

高度＜30km的大气中，因存在气溶胶，会对测量大气分子瑞利散射造成干扰，所

以此雷达不适于低空测量。拉曼激光雷达有转动、振动之分，对于振动拉曼散射

回波来讲，其能够在对流层中上部的大气温度情况进行探测，而针对转动拉曼散

射激光雷达（RRL）而言，其则借助O、N分子相对应的转动谱线强度与温度之间

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的关联性，对底层大气的气温进行测量。

3.3探测能见度

综上，伴随近年来的不断发展，激光雷达已经成为一种较常用的主动遥感工

具，并借助测量精度高、探测跨度大及空间分辨率高等优点，在诸如大气遥感、

气候与气象及环境保护等方面得到不错应用。但需要指出的是，因激光雷达有着

非常高的技术难度，在现实应用中仍存在一些不足，如受大气光传输效应的影响

（比如光速等），会降低其测量精度，所以不适用于全天候工作等。因此，伴随

应用领域的持续退款，激光雷达技术仍需不断的创新与优化。

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