大氣激光雷達(dá)技術(shù)的研究進(jìn)展

姚 歡，倪曉昌，王 宣

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222）

激光雷達(dá)誕生于20世紀(jì)60年代，自其誕生以來，激光憑借高亮度性、高單色性、高相干性和高方向性等特點獲得了飛速的發(fā)展[1]。激光問世后的第2年，科學(xué)家就提出了激光雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)想[2]。測距技術(shù)是激光雷達(dá)最原始的應(yīng)用，經(jīng)過50多年的發(fā)展，激光雷達(dá)現(xiàn)已用于跟蹤、掃描成像、多普勒成像等多領(lǐng)域中，并且隨著激光雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，激光雷達(dá)已發(fā)展成為一類集多種功能于一體的系統(tǒng)[2]。與微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)的波長很短，兩者相差3個數(shù)量級，且激光的單色性好，故呈現(xiàn)出較強的抗干擾能力和較高的分辨率，這也是激光在各領(lǐng)域中能廣泛應(yīng)用的重要原因之一[3]。其應(yīng)用領(lǐng)域涉及軍事、醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究和環(huán)境監(jiān)測等，特別是在大氣檢測方面顯示出了獨特的優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景。針對世界各國對大氣環(huán)境的日益重視，本文主要介紹激光雷達(dá)在大氣方面的應(yīng)用，著重剖析其在氣溶膠、云和邊界層、大氣成分、溫度以及反演PM2.5濃度的精度測算等方面的成果，進(jìn)一步預(yù)測未來大氣激光雷達(dá)的發(fā)展趨勢。

1 大氣激光雷達(dá)簡介

國外在較早期已能夠利用激光雷達(dá)對大氣進(jìn)行檢測，目前已建有多個激光雷達(dá)觀測站[4]，其中包括意大利那不勒斯觀測站、美國激光雷達(dá)觀測站、印度尼西亞斯馬特拉島觀測站等。其中，美國對空基激光雷達(dá)在大氣檢測方面的應(yīng)用較為成熟，1994年9月，美國利用“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機搭載激光雷達(dá)發(fā)射成功，完成了世界上第一次激光雷達(dá)空間技術(shù)實驗（Lidar In-space Technology Experience，LITE）；又于 2000 年后發(fā)射了五顆搭載激光雷達(dá)儀器的衛(wèi)星，為地球科學(xué)提供了大量的相關(guān)數(shù)據(jù)[5]。俄羅斯研制了一種遠(yuǎn)距離地面的激光雷達(dá)毒氣報警系統(tǒng)，這一系統(tǒng)是通過對氣溶膠的特性研究獲得的，通過對化學(xué)毒劑的實時探測，從而確定毒劑氣溶膠云的離地高度、中心厚度以及斜距離等相關(guān)參數(shù)，從而為人們提供預(yù)警[6]。此外，德國也研制出了一種可發(fā)出40個不同頻率激光的連續(xù)波CO2激光雷達(dá)，可識別和探測9～11 μm波段光譜能量的化學(xué)戰(zhàn)劑，可為大氣環(huán)境的檢測提供有效的數(shù)據(jù)[7]。

與此同時，國內(nèi)對激光雷達(dá)的應(yīng)用和研究也在迅猛發(fā)展，20世紀(jì)六七十年代，中國科學(xué)院大氣物理所在周秀驥院士、呂達(dá)仁院士、趙燕曾研究員等主持下成功研制出了我國第一臺米散射激光雷達(dá)，同時開展了有關(guān)云和氣溶膠特性的探測工作[8]。隨著激光雷達(dá)在大氣檢測方面應(yīng)用的不斷發(fā)展，目前我國已經(jīng)建立了12個沙塵暴長期觀測站[3]。隨著應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，國內(nèi)已有許多單位開始運用激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行大氣參數(shù)的探測研究，如安徽光學(xué)精密機械研究所、中國海洋大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海光學(xué)精密機械研究所、武漢大學(xué)、蘭州大學(xué)等。

激光雷達(dá)監(jiān)測環(huán)境大氣的工作原理是：激光器發(fā)射激光脈沖，與大氣中的氣溶膠及各種成分作用后產(chǎn)生后向散射信號，系統(tǒng)中的探測器接收回波信號，并對其進(jìn)行處理分析，從而得到所需的大氣物理要素[8]，具體原理如圖1所示。

圖1 激光雷達(dá)監(jiān)測環(huán)境大氣的工作原理圖

激光雷達(dá)按激光器工作物質(zhì)的不同可以分為固體激光器、半導(dǎo)體激光器和氣體激光器[9]。固體激光雷達(dá)主要用于檢測能見度、霧、云、溫度分布、大氣氣溶膠以及大氣中有害氣體的成分。半導(dǎo)體激光雷達(dá)的優(yōu)點主要表現(xiàn)在尺寸小、驅(qū)動簡單和價格低等，這就為其用于測量云底高度提供了可能性。而氣體激光雷達(dá)中，二氧化碳激光器是最具代表性的激光器，探測距離較遠(yuǎn)是其最顯著的優(yōu)勢，工作主要處于紅外波段，大氣傳輸過程中衰減小，為環(huán)境和大氣風(fēng)場的監(jiān)測工作做出了很多貢獻(xiàn)。

2 云、氣溶膠和邊界層的探測

氣溶膠、云和邊界層是影響氣候變化的3個重要因素，它們的變化往往會影響到大范圍區(qū)域內(nèi)的天氣變化[10]。大氣氣溶膠系統(tǒng)的作用是復(fù)雜的，懸浮于大氣中的微粒的直接相互作用可以將太陽光反射或者吸收，這些顆粒還可以間接地改變云的性質(zhì)。對于天氣的變化，云層不僅僅可以起到指示的作用，還可以對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，此外，地球氣候系統(tǒng)的輻射能量收支也可以通過云經(jīng)行調(diào)控，所以全球氣候在很大程度上會根據(jù)云參數(shù)的變化而變化[11]。邊界層高度的確定與云、氣溶膠特性變化規(guī)律同等重要，是大氣邊界層的重要參數(shù)，所以對于空氣污染物的傳輸模式、擴(kuò)散以及污染物預(yù)報模式而言，確定邊界層并準(zhǔn)確掌握其變化規(guī)律是首要任務(wù)。

國外利用激光雷達(dá)對于云、氣溶膠以及邊界層的研究較深入，歐美等國家都相繼展開了利用一些星載激光雷達(dá)對云、氣溶膠及邊界層進(jìn)行探測的工作[10，12-13，16]。美國是這方面的先行者，繼1994年9月，利用“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機搭載激光雷達(dá)成功發(fā)射之后，于2003年又利用 ICESaT（Ice，Cloud and Land Elevation Satellite）衛(wèi)星成功搭載了GLAS（Geosciences Laser Altimeter System）激光雷達(dá)，這是一臺在軌運行的星載激光雷達(dá)測高儀，它可以精確地對云、氣溶膠及邊界層的相關(guān)特性進(jìn)行探測[12]。除此之外，歐空局于2008年發(fā)射由ADM-Aeolus（Atmospheric Dynamics Mission Aeolus）衛(wèi)星所搭載的ALADIN（Atmospheric Laser Doppler Lidar Instrument）大氣多普勒激光雷達(dá)，實現(xiàn)了對30 km以上地球大氣風(fēng)速分布的測量；2013年歐空局又提出了研究對地監(jiān)測的新方法，ALADIN現(xiàn)能掃描各個方向的光束，包括衛(wèi)星的背面，它通過比較多普勒頻移造成的光頻移動，就能測量大氣中的分子運動，由此能推算風(fēng)速，并獲得云、氣溶膠的相關(guān)特性[13]。

目前，在氣候研究中應(yīng)用最廣泛激光雷達(dá)的是美國航天航空局于2006年4月28日由德爾塔-Ⅱ火箭搭載發(fā)射成功的CALIPSO（Cloud-Aerosols Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations）衛(wèi)星上的云-氣溶膠正交偏振激光雷達(dá)CALIOP（Cloud-Aerosols Lidar and Orthogonal Polarization）[12-13]。CALIOP 是一臺偏振敏感雙波長激光雷達(dá)，系統(tǒng)中的激光器可以分別發(fā)射532 nm和1064 nm波長的激光作為的輸出脈沖，532 nm通道獲得的回波信號可以進(jìn)行正交偏正檢測，從而分辨云的冰相和水相，而氣溶膠的尺寸可以通過兩波長之間的后向散射信號差來區(qū)分。該激光雷達(dá)可提供30 m的垂直分辨率，隨著衛(wèi)星繞地探測，為大氣科學(xué)提供了豐富的氣溶膠垂直分布和云的特性信息。CALIOP是典型的空基激光雷達(dá)，由于高空的空氣質(zhì)量明顯高于低空，激光的衰減較小，故在垂直高度上能測量出更長距離的高空數(shù)據(jù)。另一方面，隨著衛(wèi)星圍繞地球做周期性的運動，它可以進(jìn)行全球范圍的觀測，包括沙漠、海洋、南北極等其他激光雷達(dá)難以觀測到的地區(qū)。CALIOP能夠獲得高空、遠(yuǎn)距、長期、季節(jié)性的數(shù)據(jù)，這為氣象監(jiān)測工作提供更加全面的信息。CALIOP的觀測結(jié)果可以用來作為模式輸入，與模式結(jié)果進(jìn)行比較，以驗證模式結(jié)果或其他觀測工具的觀測結(jié)果。CALIOP在氣候研究中的主要應(yīng)用包括探測氣溶膠的垂直分布和水平特征，診斷云量和云的垂直分布，計算云和氣溶膠的光學(xué)特征，估計火災(zāi)、火山爆發(fā)、風(fēng)暴等對氣溶膠濃度的影響等，通過這些計算和分析可了解氣溶膠和云的變化規(guī)律，從而更加清晰地認(rèn)識它們是如何影響氣候的[10]。

圖2和圖3分別為利用CALIPSO 2014年2月9日與2月15日，波長為532 nm的激光數(shù)據(jù)測得的天津地區(qū)（以北天津為中心方圓100 km半徑區(qū)域）氣溶原始數(shù)據(jù)，結(jié)合自編品質(zhì)篩選技術(shù)，利用數(shù)據(jù)中的消光QC標(biāo)志（Extinction QC Flag）、云和氣溶膠得分（CAD Score）、大氣容量描述（Atmospheric Volume Description）及其相關(guān)不確定性參數(shù)，編寫Matlab程序進(jìn)行篩選而獲得的大氣中氣溶膠的平均消光。根據(jù)國家監(jiān)測點對京津冀地區(qū)的空氣質(zhì)量檢測結(jié)果，2月9日空氣質(zhì)量為優(yōu)，2月15日為重度污染。從圖中可以看出，2月15日氣溶膠平均消光無論從區(qū)域還是程度上都明顯大于2月9日，即2月9日的空氣質(zhì)量明顯優(yōu)于2月15日。一方面，如圖3所示，2月15日氣溶膠的消光系數(shù)在高度約1.2 km處達(dá)到飽和，低于該高度時，基本無法探測到相關(guān)的氣溶膠消光系數(shù)，這說明低空大氣污染較為嚴(yán)重，懸浮在空氣中的顆粒物將用于探測的激光能量全部吸收，故探測不到回波信號。另一方面，圖2中篩選過的平均消光系數(shù)變化范圍基本在0～0.3之間，而圖3中的變化范圍基本在0～1.2之間，即2月15日的平均消光系數(shù)的變化范圍約是2月9日的4倍，故2月9日的大氣狀況要優(yōu)于2月15日。這都充分說明了CALIPSO測量數(shù)據(jù)與地面監(jiān)測站所獲得數(shù)據(jù)的一致性。

圖2 2014年2月9日天津地區(qū)大氣氣溶膠平均消光高度分布曲線

圖3 2014年2月15日天津地區(qū)大氣氣溶膠平均消光高度分布曲線

除此之外，一些學(xué)者使用米散射、偏振、微脈沖、共振熒光激光雷達(dá)對不同區(qū)域進(jìn)行了探測，并根據(jù)探測及反演得到的距離平方校正后向散射系數(shù)、回波信號、消光系數(shù)、退偏振率、散射比等物理量來分析和研究云和邊界層、對流層、平流層的氣溶膠的結(jié)構(gòu)特征及時空分布，并對這些特征的成因做了進(jìn)一步的討論分析[14-16]。

中科院安徽光學(xué)精密機械研究所大氣光學(xué)中心成功研制了一臺拉曼-米-瑞利散射多參數(shù)大氣測量激光雷達(dá)系統(tǒng)，并利用其拉曼-米散射通道采集數(shù)據(jù)，對邊界層內(nèi)532 nm大氣氣溶膠后向散射系數(shù)、消光系數(shù)以及激光雷達(dá)比（即消光后向散射比）進(jìn)行了定量的測量[17]。此外，他們還利用研制的激光雷達(dá)，實現(xiàn)了對夏秋季節(jié)合肥地區(qū)氣溶膠光學(xué)特性的測量。結(jié)果表明，激光雷達(dá)比垂直廓線沒有明顯的突變，這說明夜間近地面氣溶膠微物理性質(zhì)相同，且混合較均勻。夏季氣溶膠的激光雷達(dá)比平均值相對較大，秋季較小，但總體變化不大。夏秋季氣溶膠激光雷達(dá)比稍有不同的原因可能與氣溶膠組成成分略有變化或者氣象因素有關(guān)。在夏秋兩季節(jié)內(nèi)，激光雷達(dá)比各天觀測結(jié)果變化不大，由此可以得出，在同一季節(jié)內(nèi)，氣溶膠的組成成分和微物理特性相同。表1給出了532 nm波長氣溶膠激光雷達(dá)比的相關(guān)研究報道，其中包括人類活動產(chǎn)生的燃燒煙灰、城市和工業(yè)生產(chǎn)排放的污染物氣溶膠以及自然產(chǎn)生的海鹽、沙塵和清潔陸地型等主要類型的氣溶膠。表1給出的數(shù)據(jù)及根據(jù)散射模型模擬計算獲得的結(jié)果顯示，海鹽類氣溶膠粒子產(chǎn)生的激光雷達(dá)比在20～30 sr之間；沙塵氣溶膠的激光雷達(dá)比在20～40 sr之間；生物質(zhì)燃燒、人類活動產(chǎn)生的城市顆粒物以及工業(yè)污染生成的煙灰氣溶膠的激光雷達(dá)比在40～90 sr之間。整個實驗期間觀測的激光雷達(dá)比在43～72 sr之間，總平均值為57.9 sr，與表中給出的一些激光雷達(dá)比研究類似，尤其與文獻(xiàn)[18]有較好的相似性。結(jié)合合肥地區(qū)城市活動和周邊工業(yè)情況，初步判斷，該地區(qū)邊界層氣溶膠應(yīng)屬于包含工業(yè)和城市污染物粒子的污染型陸地氣溶膠[17]。

表1 532 nm波長氣溶膠激光雷達(dá)比的相關(guān)研究報道

氣溶膠、云和邊界層在地球輻射平衡、降水及云形成、各種非均勻和光化學(xué)反應(yīng)中都扮演著十分重要的角色。目前使用激光雷達(dá)已可以成功探測物質(zhì)燃燒、霧霾、煙塵、沙塵污染等各種類型氣溶膠的光學(xué)特性、垂直分布、時空變化及濃度等[16]。

3 大氣成分的探測

環(huán)境問題已成為當(dāng)今社會的一個敏感話題，大氣層環(huán)境的變化直接影響著人類的生存和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[29]。差分吸收激光雷達(dá)是最早應(yīng)用于測量大氣成分的儀器，它可以重復(fù)性測量大氣痕量氣體（CH4、CO2、NO2、SO2、O3等）。自 1975 年起，國外就開始使用這種儀器來探測大氣成分，之后利用該類型激光雷達(dá)測量臭氧及其他痕量氣體的技術(shù)就不斷地在各個國家新興起來[29]。

目前監(jiān)測網(wǎng)中大部分O3、NO2和SO2的監(jiān)測設(shè)備均為基點式儀器，該種設(shè)備無法監(jiān)測大氣中相關(guān)氣體的空間分布信息。習(xí)慣上，一般都是利用球載探測儀來探測O3、NO2和SO2的空間分布數(shù)據(jù)，但通過此方式獲得的數(shù)據(jù)一般空間和時間分辨率都不高，為此，在國家863計劃信息獲取與處理技術(shù)主題和中國科學(xué)院的支持下，2002年6月，我國自主研制了車載測污激光雷達(dá)系統(tǒng)，其各污染物測量精度均很高[30]，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 AML-1車載激光雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

與此同時，張寅超等[31]運用該系統(tǒng)首次給出了北京市近地面層大氣O3、NO2和SO2的激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)，他們分別對中科院大氣物理研究所鐵塔分部和北京市大興區(qū)北藏鄉(xiāng)進(jìn)行了大氣O3、NO2、SO2以及氣溶膠的實驗監(jiān)測，首次給出了北京市近地面層大氣O3、NO2、SO2的激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)，并且將地面儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)與所得的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對。結(jié)果顯示，該激光雷達(dá)的O3、NO2、SO2測量值與地面儀器的測量數(shù)據(jù)基本相符，相關(guān)系數(shù)分別可達(dá)到0.88、0.75和0.90，這表明車載測污激光雷達(dá)的測量結(jié)果可信度是很高的。

4 溫度的探測

激光雷達(dá)對大氣溫度的探測也起著至關(guān)重要的作用，主要有以下3種：瑞利散射激光雷達(dá)、拉曼激光雷達(dá)和高光譜分辨率激光雷達(dá)[32-35]。

目前，瑞麗散射激光雷達(dá)憑借其空間分辨率高、探測靈敏度高和探測無盲區(qū)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于大氣溫度探測中。Fiocco等早在1971年就已成功利用瑞利散射激光雷達(dá)對大氣溫度進(jìn)行了測量。除此之外，拉曼激光雷達(dá)在溫度探測方面的應(yīng)用也是比較常見的，該類型激光雷達(dá)根據(jù)其工作方式的不同可分為轉(zhuǎn)動型和振動型。轉(zhuǎn)動拉曼散射激光雷達(dá)可以實現(xiàn)對底層大氣溫度分布的測量，其探測主要是通過利用溫度與分子的轉(zhuǎn)動譜線強度的關(guān)系實現(xiàn)的，而探測對流層中上部大氣溫度分布則可以通過振動拉曼散射激光雷達(dá)接收到的回波信號獲得。

早在1967年，Leonard就首次提出了利用振動拉曼散射激光雷達(dá)來探測大氣溫度，并且成功利用波長為337.1 nm的激光探測到了1.2 km以內(nèi)大氣中的氮氣濃度，與此同時還利用激光雷達(dá)接收了波長為365.8 nm的氮氣的一級斯托克斯振動譜線。2011年西安理工大學(xué)的解貞等[36]依托西安理工大學(xué)大氣遙感研究中心的同軸激光雷達(dá)研究平臺，建立了拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)，對純轉(zhuǎn)動拉曼散射激光雷達(dá)實現(xiàn)邊界層底層大氣溫度的高精度探測進(jìn)行了分析。據(jù)研究，拉曼回波散射信號的散射強度比值可以達(dá)到3.5 km左右，且在3.5 km以內(nèi)溫度下降率可達(dá)到3 K/km。此外，他們還利用探空氣球?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定，研究表明，實測拉曼激光雷達(dá)溫度廓線與探空氣球探測到的溫度廓線初步實現(xiàn)了良好的吻合。在此基礎(chǔ)上，解貞[36]利用拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)對西安城區(qū)大氣進(jìn)行了實驗觀測，結(jié)果表明，該系統(tǒng)的最低測溫能力為2 km，相較于瑞利散射，其抑制率得到了很大的提高，系統(tǒng)的探測能力也得到了良好的改善。

瑞利-拉曼散射激光雷達(dá)則結(jié)合了兩種激光雷達(dá)的優(yōu)點，能對各高度的溫度廓線實現(xiàn)高分辨率、高靈敏度的探測。2004年，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所的吳永華等[37]成功實現(xiàn)了利用瑞利-拉曼散射激光雷達(dá)探測大氣溫度分布。該激光雷達(dá)主要用于夜晚探測大氣的溫度分布，系統(tǒng)采用Nd：YAG激光器，三倍頻后輸出波長為355 nm的激光作為輸出脈沖。為了獲得對流層和平流層中上部大氣溫度的垂直分布廓線，吳永華等人采用弱光子計數(shù)技術(shù)，較準(zhǔn)確地檢測出了大氣中分子振動拉曼散射和瑞利散射回波，并由此分析得到了對流層和平流層中上部大氣溫度的垂直廓線分布。為了保證所得數(shù)據(jù)的可靠性，其觀測結(jié)果還分別與HALOE/UARS衛(wèi)星和無線電氣象探空儀獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。激光雷達(dá)獲得的平流層溫度垂直分布廓線和HALOE衛(wèi)星進(jìn)行比對結(jié)果顯示，當(dāng)高度處于25～65 km時，它們測量獲得的結(jié)果具有較好的一致性，20個夜晚的平均溫差小于2 K；而對流層溫度廓線與無線電氣象探空儀進(jìn)行比對表明：當(dāng)高度處于5～18 km時，其溫度反映了基本一致的分布趨勢，在6～16.5 km高度內(nèi)，15個夜晚的平均溫差小于3 K。這些結(jié)果都從一定程度上說明了瑞利-拉曼散射激光雷達(dá)對大氣溫度分布測量的準(zhǔn)確性與可靠性。

2010年南京信息工程大學(xué)的卜令兵等[38]聯(lián)合中科院安徽光學(xué)精密機械研究所大氣光學(xué)中心，為獲取高時空分辨率的大氣溫度的垂直分布，建立了用于大氣溫度廓線測量的瑞利-拉曼激光雷達(dá)。該系統(tǒng)發(fā)射波長為532 nm、頻率為20 Hz、能量為200 mJ的激光作為輸出脈沖，接收系統(tǒng)采用直徑為400 mm的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡，主要用于接收發(fā)射激光脈沖與大氣中的各種成分作用后產(chǎn)生的回波信號。為了減小望遠(yuǎn)鏡的場視角，系統(tǒng)在近焦點處設(shè)置了一小孔，用來減少背景噪聲。系統(tǒng)配備光束準(zhǔn)直系統(tǒng)，接收到的后向散射信號經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)后，通過窄帶濾波片分別進(jìn)入米、瑞利、拉曼3個通道。拉曼通道主要用于探測N2分子的拉曼散射，再將測量獲得的N2分子的濃度與米通道測量獲得的氣溶膠特性相結(jié)合，從而反演出低空大氣溫度；米通道主要用來測量對流層以內(nèi)氣溶膠的光學(xué)特性，它采用的方式是模擬探測；利用瑞利通道可以獲得532 nm信號不同程度的衰減，這樣可以同時實現(xiàn)對低空氣溶膠和高空溫度的探測。在數(shù)據(jù)處理方面，為了提高信噪比，系統(tǒng)主要是通過扣除背景噪聲和小波算法來實現(xiàn)。為了確保觀測數(shù)據(jù)的可靠性，卜令兵等人還將觀測結(jié)果與大氣模式數(shù)據(jù)和衛(wèi)星觀測結(jié)果進(jìn)行了對比分析，結(jié)果均呈現(xiàn)較好的一致性，由此進(jìn)一步證明了激光雷達(dá)在溫度測量方面的可靠性。

高光譜激光雷達(dá)相較于瑞利、拉曼散射激光雷達(dá)，是一種精度更高的激光雷達(dá)。高光譜激光雷達(dá)的探測原理是利用大氣分子引起的瑞利散射光譜寬度依存大氣溫度，通過使用單頻率脈沖激光器，高光譜分辨率分光器從大氣散射中分離瑞利散射和米散射光譜。在數(shù)據(jù)反演中借助于同時獲得的瑞利散射信號，可以不需要對大氣粒子后向散射系數(shù)和消光系數(shù)進(jìn)行假設(shè)，直接導(dǎo)出消光系數(shù)，從而實現(xiàn)高精度的氣溶膠探測，提高了參量反演的準(zhǔn)確性。目前，利用高光譜分辨率激光雷達(dá)對氣溶膠光學(xué)特性進(jìn)行探測是研究的熱門課題。歐洲空間局、美國國家航天航空局、日本的國立環(huán)境研究所以及國外很多高校都在展開對該種激光雷達(dá)的研究。

5 激光雷達(dá)探測反演PM2.5濃度

PM2.5是目前環(huán)境空氣檢測中比較受關(guān)注的一項指標(biāo)，人們可以通過它來判斷空氣污染情況，它對空氣的質(zhì)量和能見度等都有著重要的影響。

2013年濟(jì)南市環(huán)境監(jiān)測中心站的何濤等[37]利用激光雷達(dá)系統(tǒng)對PM2.5濃度的精度進(jìn)行了研究，給出了布設(shè)在中科院大氣物理研究所鐵塔上的BAM-1020顆粒物檢測儀和激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)的對比觀測結(jié)果。此外，他們還于2011年9月至10月之間進(jìn)行了為期一個月的對比試驗，觀測PM2.5濃度與激光雷達(dá)探測到的氣溶膠消光系數(shù)的相關(guān)性，結(jié)果表明，兩者之間具有良好的相關(guān)性。為了研究在垂直高度上反演的精度，他們利用線性回歸模型建立了顆粒物濃度與消光系數(shù)之間的關(guān)系式，再結(jié)合鐵塔實測的PM2.5濃度，完成了對反演精度的探究。研究結(jié)果顯示，激光雷達(dá)的反演結(jié)果與實測之間的相關(guān)系數(shù)基本均可達(dá)到0.9以上，兩者之間的高相關(guān)性說明了激光雷達(dá)反演PM2.5的可靠性，這就為利用激光雷達(dá)研究大氣中顆粒污染物的濃度及其空間分布狀況提供了可能性，并為區(qū)域大氣聯(lián)防聯(lián)控提供數(shù)據(jù)、制定政策。

此外，上海復(fù)旦大學(xué)的焦艷等[39-40]于2011年1月至2012年12月，利用位于上海市楊浦區(qū)復(fù)旦大學(xué)校園內(nèi)的大氣氣溶膠觀測站，對氣溶膠的濃度、光學(xué)特性等進(jìn)行了為期2年的觀測[39]。通過數(shù)據(jù)反演計算，得到氣溶膠消光系數(shù)的垂直分布，進(jìn)而可以直接獲得氣溶膠光學(xué)厚度和大氣混合層高度。通過獲得的數(shù)據(jù)，對上海城區(qū)氣溶膠光學(xué)特性的變化特征和大氣PM2.5質(zhì)量濃度做出了統(tǒng)計結(jié)果：上海城區(qū)大氣PM2.5質(zhì)量濃度年均值可達(dá)到（43.8±28.7）μg/m3，超過了 PM2.5二級濃度限制，24 h內(nèi)平均值的一、二級達(dá)標(biāo)率分別為47.9%和87.1%。夏季PM2.5質(zhì)量濃度最低，冬季最高，春秋季節(jié)則介于中間位置；但春秋季節(jié)的PM2.5質(zhì)量濃度相對集中，冬夏季節(jié)則相對分散。另外，PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)性變化也受氣象要素的制約，例如，降水對PM2.5有一定的去除效應(yīng)；氣溶膠的濃度和來源受風(fēng)速風(fēng)向的影響；PM2.5質(zhì)量濃度與氣溫也有一定的相關(guān)性等。綜合以上各種因素，上海城區(qū)呈現(xiàn)出了夏季PM2.5質(zhì)量濃度低于冬季的空氣狀況。此外，上海地區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度每天基本于凌晨1時和5時達(dá)到峰值[40]，對上海地區(qū)的季節(jié)性和每天的變化情況給出了量化表征。

6 發(fā)展趨勢

除此之外，激光雷達(dá)還能對大氣成分、能見度、水汽、風(fēng)、鈉層等進(jìn)行探測，由此可見它在大氣監(jiān)測方面的應(yīng)用非常廣泛。在過去的幾十年中，激光雷達(dá)作為一種新興的主動遙感工具在測量精度、空間分辨率、探測跨度等方面所具有的優(yōu)勢已使它被廣泛應(yīng)用于大氣遙感、氣象與氣候、大氣科學(xué)等領(lǐng)域。但是目前激光雷達(dá)的發(fā)展并不成熟，這主要源于其較高的技術(shù)難度。現(xiàn)階段激光雷達(dá)在實際中的應(yīng)用仍有缺陷，例如，較窄的波束加大了空間獲取的難度，因而捕獲目標(biāo)只能控制在較小的范圍內(nèi)；受天氣影響較明顯，不能在一些天氣（雨、雪、霧）下工作；其精度受大氣光傳輸效應(yīng)的影響，因此無法全天工作等等。盡管如此，激光雷達(dá)還是受到了國內(nèi)外研究學(xué)者的重視與關(guān)注，并提出了一系列的新技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理和反演的新方法。目前，激光雷達(dá)探測大氣的時間分辨率不斷的提高，探測的跨度范圍不斷延伸。激光雷達(dá)的發(fā)展方向越來越廣：它由僅夜晚探測向白天夜晚均可探測發(fā)展，由單一波長向多波長發(fā)展，由單一探測功能向多探測功能發(fā)展。激光雷達(dá)現(xiàn)在已擁有若干區(qū)域性大面積空間覆蓋的陸基激光雷達(dá)觀測網(wǎng)，這樣不僅能夠獲取區(qū)域性的大氣參數(shù)三維空間的分布特征，而且能夠滿足對氣候、氣象、環(huán)境等方面的研究和相關(guān)科研人員對探測數(shù)據(jù)的需求。

基于激光雷達(dá)在大氣探測方面的特有優(yōu)勢以及世界各個地區(qū)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)資料的不斷累積，它一定會在天氣預(yù)報模式與氣候模式的資料同化系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用，并為氣候方面的相關(guān)研究做出更大的貢獻(xiàn)。

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