激光雷达探测技术 激光雷达探测技术
激光雷达大气遥感探测技术

1. 引言

    激光雷达作为一种主动遥感探测工具已有几十年的历史,已广泛用于激光大气传输、全球气候预测、气溶胶辐射效应及大气环境等研究领域。随着激光技术、信号探测技术和数据采集及控制技术的发展,使激光雷达在大气探测高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有独到的优势,是其它探测手段无法比拟的。相对于微波、电磁波雷达来说,光波具有较短的波长,因此它可以利用光与大气中存在的分子和浮尘的相互作用来实现对大气光学及物理特性、气象/气候参数进行高时空分辨率的精细探测,是一种近年快速发展的全新探测技术,是现代雷达探测技术从厘米波,毫米波向光波探测技术延伸,实现遥感探测技术向高时空分辨率、高精度领域发展。

2. 激光雷达探测技术

    激光雷达最基本的工作原理与普通雷达类似,即由发射系统发送一个信号,与目标作用产生的返回信号被接收系统收集并处理,以获得所需信息。所不同的是,激光雷达的发射信号为一束具有高指向性、高能量的脉冲激光束,其较短的发射波长与窄激光脉冲宽度为高时空分辨率的精细探测提供了技术条件。激光雷达的基本构成如下图所示,

激光雷达构成原理图

由脉冲激光器发出的光,经准直扩束后射入大气,利用光与大气中物质(原子、分子及气溶胶粒子)的相互作用所产生的后向散射光(由气溶胶粒子引起的米散射,大气分子引起的瑞利散射,分子转动和振动产生的拉曼散射,荧光等),再由望远镜接收,接收到的大气回波信号再进行相应的分光处理,由光电探测器件检测,最后送入计算机进行数据分析与处理,从而获得大气温度、湿度、风速风向、云、气溶胶以及大气污染物成分等大气参量的高度分布。

    激光雷达方程的基本形式为:

 

其中,P(z)为激光雷达接收到的距离z处的散射回波信号功率,K为系统效率,Eo为激光脉冲能量,τ为激光脉冲间隔时间,Ar为望远镜受光面积,Y(z)为发送与接收器的光路重叠系数,z为探测高度,β(z)为高度z处的后向散射系数(是大气数密度N(z)和散射截面强度dδ/dΩ的函数),α(z)为高度z处的大气消光系数。利用激光雷达实现各种参量的测量都是基于求解激光雷达方程得到的。

 

大气气溶胶后向散射系数垂直分布图

 

大气气溶胶后向散射系数水平分布图

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