激光雷达技术在环境保护中的应用
Arson 华科 光电学院 物理电子学
摘要：激光雷达是激光技术和雷达技术结合的产物，作为一种主动式现代光学遥感设备，是传统的无线电或微波雷达向光学频段的延伸。大气是人类赖以生存的主要环境，大气环境的状态变化对人类的生产、生活，乃至生存与发展，都会产生直接的影响。激光雷达探测大气的物理基础是激光辐射与大气中分子和气溶胶粒子之间相互作用产生的各种物理过程。水下激光目标探测技术在搜索援救、水下侦察、目标识别等海洋开发中都具有重要的实用价值。特别地，针对海水介质对光的强烈散射和吸收作用的研究，可以使人们定性定量地了解水中悬浮物和微生物的情况。
一、引 言
包围在地球周围的一层厚达数百公里的气体，称为大气。大气是人类赖以生存的主要环境，大气环境的状态变化对人类的生产、生活，乃至生存与发展，都会产生直接的影响。我国的地理环境是海岸线长、海域辽阔、大陆架矿藏资源丰富,对海域水文环境和海洋生物变化进行有效的探测及监视，将具有重大意义。
激光雷达技术是近年来我们实验室研究的方向之一。简单说来，当激光经过大气和海水时，由于大气中存在一些特殊的气溶胶以及海水中一些悬浮物、微生物的分布都将引起激光光场发生变化，通过分析这些变化，我们可以实时地得知这边变化并采取相应的措施。
二、激光雷达技术在大气探测中的应用
气溶胶对气候会产生直接和间接的影响。大气气溶胶是指悬浮在大气中的固体或液体微粒，地面的扬尘、烟粒、微生物、植物的抱子和花粉，以及水和冰组成的云雾滴、冰晶和雨雪等粒子。人为排放到大气中的污染气体也可能会形成气溶胶粒子。气溶胶粒子通过吸收和散射太阳辐射以及地球的长波辐射而影响着地球和大气的辐射收支，它会凝结成核参与云的形成，从而影响到天气和气候的变化。我国北方地区频繁发生的沙尘暴事件已引起国内国际的关注，沙尘暴已成为
一个重要的地球环境问题。因此，对气溶胶的探测与研究己成为气候学、环境监测和大气科学等领域的研究重点。
测风激光雷达应用于数值天气预报。国际上一直积极发展数值天气预报模型。激光测风雷达可以观测三维风场的垂直剖面，增加数据覆盖率，提高实测风场的分辨率，有利于实测风场的统计分析和数值天气预报方法的改进。使用激光测风雷达测量风场有助于行星尺度动力学、天气尺度动力学以及中小尺度天气系统动力学的研究。例如大尺度锋面和风暴的关系，对流层上下层之间的相互作用过程，大气边界层结构，热带流场，台风和中纬度龙卷风的形成和发展，气体、气溶胶在对流层中的传输以及在平流层中的循环和传输过程等等；可帮助我们理解全球的生物化学过程，分析大气成分，研究大气化学性质。风场数据还可反映对流层的水汽储量，得出海洋与陆地的水汽交换量等参数，进一步深入了解水循环过程。同时，还可以提供如大气能见度、云底高度、云的垂直分布、气溶胶性质等遥感数据。为现有的光学传感器和微波雷达传感器提供数据补充和矫正。
三、激光雷达技术在海洋探测中的应用
海水中包括胶粒在内的、分散度不同的各种悬浮物质。它们的粒径一般在几至几百微米之间。悬浮物的含量，决定着海水的水色和透明度，还直接影响着海水的声学性质和其他的光学性质。水中悬浮物的表面，能够有选择地吸附有机负离子，因而常荷负电。悬浮颗粒所携带的这些有机物，为细菌和其他微生物的繁殖提供了有利的条件。此外，我国的地理环境是海岸线长、海域辽阔、大陆架矿藏资源丰富,对海域水文环境和海洋生物变化进行有效的探测及监视，将直接影响鱼类，贝类的繁殖和生长，从而影响渔场的分布。同时，通过激光雷达技术甚至可以分辨微生物的形态特点，从而在测定固定区域内微生物含量的同时，也可以定性地测量微生物的类别，从而分析这一海域的水文情况。
1963年,人们在研究光波在海洋中的传播特性时发现，海水对蓝绿光的衰减比对其他光波段的衰减要小很多,证实在海洋中亦存在一个类似于大气中存在的透光窗口。依据上述物理现象, 利用工作在蓝绿光波段的激光器, 可研制出基于新的物理机理的水下目标探测、控制、通信等新型装备。在水深探测领域, 复杂的声波回声测深技术法不仅不能探测凸起于海床上的礁石或岩石, 而且测量精度、测量点密度难以达到目前国际水文测绘的精度要求标准。蓝绿激光测深系统不仅用于水深测量,还可以用于海底地貌绘制、水文测量、大陆架探测、内陆河港口探测、水下打捞, 也可应用于海洋生物变化、海洋环境监视等。激光雷达在海水探测中的原理是光线通过有尘土的空气或胶质溶液等媒质时，都将发生散射。具体说来，当粒子的尺度远小于入射光波长的将产生瑞利散射，而当粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射称为米氏散射，从而通过分析具体的散射现象，可以定量定性的分析海水中悬浮物和微生物。
四、总结
激光雷达技术是一门新兴技术。它以激光为光源,通过探测激光与目标物相互作用而产生的辐射信号来遥感目标物。在过去的几十年中,激光雷达作为一种新兴的主动遥感工具在探测跨度、空间分辨率、测量精度方面所具有的优势已使它被广泛应用于大气科学、环境保护、气象与气候、大气遥感等领域。与普通微
波雷达相比,激光雷达由于使用的是激光束,工作频率较微波高了许多,有很多优点,如分辨率高,可以获得极高的角度、距离和速度分辨率;低空探测性能好,抗有源干扰能力强;单色性好,方向性强;体积小,质量轻等,因此已经成为目前对大气、海洋和陆地进行高精度遥感探测的有效手段,广泛地应用于环境监测、航天、通信、导航和定位等高新技术领域。特别是在大气环境监测、气象要素测量等方面显示了其独特的优势和突出的发展前景。
随着激光雷达相关科学的发展和科技的进步,激光雷达朝着更加精细化和定量化的方向发展。这一技术在不久的将来会得到更加广泛的应用,它在环境监测，海洋探测方面将会扮演不可替代的重要角色。
激光雷达技术在环境保护中的应用
Arson 华科 光电学院 物理电子学
摘要：激光雷达是激光技术和雷达技术结合的产物，作为一种主动式现代光学遥感设备，是传统的无线电或微波雷达向光学频段的延伸。大气是人类赖以生存的主要环境，大气环境的状态变化对人类的生产、生活，乃至生存与发展，都会产生直接的影响。激光雷达探测大气的物理基础是激光辐射与大气中分子和气溶胶粒子之间相互作用产生的各种物理过程。水下激光目标探测技术在搜索援救、水下侦察、目标识别等海洋开发中都具有重要的实用价值。特别地，针对海水介质对光的强烈散射和吸收作用的研究，可以使人们定性定量地了解水中悬浮物和微生物的情况。
一、引 言
包围在地球周围的一层厚达数百公里的气体，称为大气。大气是人类赖以生存的主要环境，大气环境的状态变化对人类的生产、生活，乃至生存与发展，都会产生直接的影响。我国的地理环境是海岸线长、海域辽阔、大陆架矿藏资源丰富,对海域水文环境和海洋生物变化进行有效的探测及监视，将具有重大意义。
激光雷达技术是近年来我们实验室研究的方向之一。简单说来，当激光经过大气和海水时，由于大气中存在一些特殊的气溶胶以及海水中一些悬浮物、微生物的分布都将引起激光光场发生变化，通过分析这些变化，我们可以实时地得知这边变化并采取相应的措施。
二、激光雷达技术在大气探测中的应用
气溶胶对气候会产生直接和间接的影响。大气气溶胶是指悬浮在大气中的固体或液体微粒，地面的扬尘、烟粒、微生物、植物的抱子和花粉，以及水和冰组成的云雾滴、冰晶和雨雪等粒子。人为排放到大气中的污染气体也可能会形成气溶胶粒子。气溶胶粒子通过吸收和散射太阳辐射以及地球的长波辐射而影响着地球和大气的辐射收支，它会凝结成核参与云的形成，从而影响到天气和气候的变化。我国北方地区频繁发生的沙尘暴事件已引起国内国际的关注，沙尘暴已成为
一个重要的地球环境问题。因此，对气溶胶的探测与研究己成为气候学、环境监测和大气科学等领域的研究重点。
测风激光雷达应用于数值天气预报。国际上一直积极发展数值天气预报模型。激光测风雷达可以观测三维风场的垂直剖面，增加数据覆盖率，提高实测风场的分辨率，有利于实测风场的统计分析和数值天气预报方法的改进。使用激光测风雷达测量风场有助于行星尺度动力学、天气尺度动力学以及中小尺度天气系统动力学的研究。例如大尺度锋面和风暴的关系，对流层上下层之间的相互作用过程，大气边界层结构，热带流场，台风和中纬度龙卷风的形成和发展，气体、气溶胶在对流层中的传输以及在平流层中的循环和传输过程等等；可帮助我们理解全球的生物化学过程，分析大气成分，研究大气化学性质。风场数据还可反映对流层的水汽储量，得出海洋与陆地的水汽交换量等参数，进一步深入了解水循环过程。同时，还可以提供如大气能见度、云底高度、云的垂直分布、气溶胶性质等遥感数据。为现有的光学传感器和微波雷达传感器提供数据补充和矫正。
三、激光雷达技术在海洋探测中的应用
海水中包括胶粒在内的、分散度不同的各种悬浮物质。它们的粒径一般在几至几百微米之间。悬浮物的含量，决定着海水的水色和透明度，还直接影响着海水的声学性质和其他的光学性质。水中悬浮物的表面，能够有选择地吸附有机负离子，因而常荷负电。悬浮颗粒所携带的这些有机物，为细菌和其他微生物的繁殖提供了有利的条件。此外，我国的地理环境是海岸线长、海域辽阔、大陆架矿藏资源丰富,对海域水文环境和海洋生物变化进行有效的探测及监视，将直接影响鱼类，贝类的繁殖和生长，从而影响渔场的分布。同时，通过激光雷达技术甚至可以分辨微生物的形态特点，从而在测定固定区域内微生物含量的同时，也可以定性地测量微生物的类别，从而分析这一海域的水文情况。
1963年,人们在研究光波在海洋中的传播特性时发现，海水对蓝绿光的衰减比对其他光波段的衰减要小很多,证实在海洋中亦存在一个类似于大气中存在的透光窗口。依据上述物理现象, 利用工作在蓝绿光波段的激光器, 可研制出基于新的物理机理的水下目标探测、控制、通信等新型装备。在水深探测领域, 复杂的声波回声测深技术法不仅不能探测凸起于海床上的礁石或岩石, 而且测量精度、测量点密度难以达到目前国际水文测绘的精度要求标准。蓝绿激光测深系统不仅用于水深测量,还可以用于海底地貌绘制、水文测量、大陆架探测、内陆河港口探测、水下打捞, 也可应用于海洋生物变化、海洋环境监视等。激光雷达在海水探测中的原理是光线通过有尘土的空气或胶质溶液等媒质时，都将发生散射。具体说来，当粒子的尺度远小于入射光波长的将产生瑞利散射，而当粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射称为米氏散射，从而通过分析具体的散射现象，可以定量定性的分析海水中悬浮物和微生物。
四、总结
激光雷达技术是一门新兴技术。它以激光为光源,通过探测激光与目标物相互作用而产生的辐射信号来遥感目标物。在过去的几十年中,激光雷达作为一种新兴的主动遥感工具在探测跨度、空间分辨率、测量精度方面所具有的优势已使它被广泛应用于大气科学、环境保护、气象与气候、大气遥感等领域。与普通微
波雷达相比,激光雷达由于使用的是激光束,工作频率较微波高了许多,有很多优点,如分辨率高,可以获得极高的角度、距离和速度分辨率;低空探测性能好,抗有源干扰能力强;单色性好,方向性强;体积小,质量轻等,因此已经成为目前对大气、海洋和陆地进行高精度遥感探测的有效手段,广泛地应用于环境监测、航天、通信、导航和定位等高新技术领域。特别是在大气环境监测、气象要素测量等方面显示了其独特的优势和突出的发展前景。
随着激光雷达相关科学的发展和科技的进步,激光雷达朝着更加精细化和定量化的方向发展。这一技术在不久的将来会得到更加广泛的应用,它在环境监测，海洋探测方面将会扮演不可替代的重要角色。