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激光雷达是怎样工作的?它有哪些特点?其应用领域和前景如何

归档日期:10-21       文本归类:地形测绘雷达      文章编辑:爱尚语录

  激光雷达的原理是基于大气对激光的散射、吸收、消光和闪烁等物理过程,通过接收后向散射信号来反演大气参数,如气溶胶光学参数、大气温度、风场廓线,以及水汽和大气痕量气体的时空分布等。激光雷达是传统雷达技术和现代激光技术相结合的产物。其工作原理与微波雷达或无线电雷达类似,即由发射系统发射一个信号,与目标发生相互作用,返回的信号被接收系统收集并处理,获得所需的目标信息。与普通雷达不同的是,激光雷达的发射信号是激光,与普通雷达发射的无线电波乃至毫米波、微波相比,波长要短得多,这就使得激光雷达对微小的气溶胶粒子和大气分子更敏感,适用于大气探测。此外,普通雷达接收的大多为硬目标的反射信号,而用于大气探测的激光雷达所接收的信号随着激光技术、光学加工工艺、光电探测技术和数据采集技术的发展,激光雷达在探测距离、探测精度、时空分辨率、自动连续观测等方面显示出卓越的探测能力。激光雷达的发展趋势:

  随着激光雷达的发展,其测量范围已从最初的利用米散射信号探测大气气溶胶分布,发展为可用于温度、风场、气体成分等多领域的探测。通过利用多通道探测,可实现一台激光雷达系统同时探测水汽混合比和气溶胶参数等多种大气参数[31]。多波长激光雷达可测量气溶胶在多个波长上的消光系数和后向散射系数,进而反演出气溶胶的复折射率和粒子谱分布[32]。

  地基单点固定式激光雷达的长期观测十分必要,对于研究和统计分析一些重要大气成分的变化规律具有重要价值。但将激光雷达搭载在多种移动式平台上,更能发挥出激光雷达的作用。车载式激光雷达,具有高度的机动性,转移观测场地更加便捷[33],便于应对突发事件的探测需要。机载式激光雷达可以进行较大范围的移动观测,并且便于对云层进行实验探测[34]。船载式激光雷达可以在海洋上空观测,它们在一些地区性乃至全球性大气辐射和大气环境研究,以及多种仪器的对比实验中发挥了重要作用[35]。星载激光雷达能够进行全球范围内重要大气参数的主动遥感。米散射气溶胶激光雷达、二氧化碳差分吸收激光雷达、多普勒测风激光雷达等将在不久的未来应用于全球卫星遥感观测[36]。

  随着大气辐射和环境科学研究国际间合作的需要,建立激光雷达观测网十分必要。通过统一测量和数据处理的方法和标准,进行长期观测。研究气溶胶的长期变化特征和不同类型的气溶胶在某区域内的分布情况,以及气溶胶的输送路径和机制,及其物理、化学特性在输送过程中的变化。一些国际合作研究计划,如全球平流层变化观测网(NDSC)[37]、气溶胶特征实验(ACE-I、II)[38, 39]等均使用多个激光雷达布网,对一些重要的大气成分的空间分布进行观测。欧洲激光雷达观测网(EARLINET)[40]包括了欧洲不同国家21个地面激光雷达观测站;亚洲激光雷达观测网(AD-Net)[41]对亚洲大陆沙尘气溶胶的光学特性及其远距离输送过程进行联合观测;拉丁美洲激光雷达观测网[42]则开展了对热带和南半球低纬度地区重要大气成份的合作观测。

  激光雷达能够监测多种重要大气成分和参量的时空分布,具有测量距离远、时空分辨率高、探测成本低、和能够连续自动观测的特点,具备其它探测方式无法替代的作用,在气象观测、大气环境监测和风场测量等民用领域日益受到重视,因此其应用市场广阔。目前,单波长米散射激光雷达、探测污染气体的差分吸收激光雷达,及测风激光雷达已经成功实现商品化。例如,美国SESI公司研制的微脉冲激光雷达系列,德国ELIGHT公司开发的车载式测污激光雷达,法国LEOSPHERE公司推出的Windcube测风激光雷达,以及美国ORCA和加拿大OPTECH公司开发的激光雷达系列产品。在国内,近年来中科院安徽光机所研制的车载式测污激光雷达AML-1、微脉冲激光雷达MPL-A1和便携式偏振-米散射激光雷达PML等,都已经开始从实验室研究阶段向商业化产品研制开发进行转变。

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