2.2.3　激光雷達應用

2.2.3.1　大氣能見度探測

大氣能見度在科學上并沒有一個很嚴謹的定義，世界氣象組織（WMO）于1971年對白天能見度的定義為：“氣象上的白天能見度是指在天空或霧氣背景條件下，近地面適當大小的黑色物體可以被看見或分辨的最遠距離。”傳統上，人眼觀測是最早和最為簡便的觀測大氣能見度的方法，但由于受觀測者主觀因素的影響而產生較大的觀測誤差。利用觀測儀器對能見度進行測量的方法主要分為照相法、氣溶膠采樣法和光學參數測量法，現有能見度自動測量系統多采用透射式、前向散射式和CCD攝像法等方式，這些設備都需要合作目標，體積較大，成本較高，安裝和攜帶不方便。雖然獲取受氣溶膠影響目標物的清晰度照片是測量能見度變化最簡單和直接的方法，但由于很難從照片或圖片中提取定量信息，所以增加了其實際應用的難度。氣溶膠采樣法是通過直接測量大氣中氣溶膠粒子的濃度來間接反演能見度數值，由于該方法中涉及不同種類和尺度氣溶膠粒子的光學特性，光輻射與粒子間的作用類型以及采樣過程中的煩瑣步驟，使得其測量精度難以保證。因此對大氣最基本的光學特征參數測量是最可靠的能見度測量方法。水平能見度的測量首先需要得到大氣的水平消光系數，雖然計算水平消光系數的方法早已有之，但是由于不適于計算機處理而一直未能廣泛應用，本節介紹一種迭代擴展算法，可以很好地解決水平消光系數的計算，進而實現水平能見度的自動提取。根據能見度理論，推導出一個垂直能見度的計算公式，運用此公式可以方便地計算垂直能見度。在給出相關算法之前，首先介紹一下能見度的基本概念。

上述直接應用于飛機著陸、船舶和公路運輸的氣象能見度是一種主觀性定義，即指正常人的視力在白天無云的天空背景下，辨認出視角大于0.5o的黑色目標物的形體或輪廓的最大水平距離。相應的科學術語為視程，意指在給定方向能看到多遠的距離。此定義和術語均與視神經的生理特征有關，表現為受視力分辨和對比兩個因子影響，例如我們不能在過遠距離閱讀，盡管此時字與紙面的對比很高，此即受視力分辨的限制。我們可清晰地從夜空分辨亮星，因亮星與夜空之間的對比為極端值。而在白天，同樣的星卻不可見，因空氣分子和氣溶膠對太陽的散射光，使星與天空的對比減至零。在大多數場合，目標物與其周圍之間缺乏明顯的對比，限制了我們遠視目標，主要原因是氣溶膠質粒，尤其是0.1～1.0μm尺度產生的散射光，減小了目標與背景的視亮度對比。空氣分子散射的效應很小，但它也限制了最大可視距離100～300km。從目標射來的光被散射，偏離可見路徑，不能到達人眼。太陽光被散射進入可見路徑，使黑暗目標變亮，隨著距離的增加，對比減小到目標剛能分辨，此即視程。Koschmieder（1924）首先創建能見度理論，Middleton（1968）對它做了簡潔概括。下面對它做一簡要介紹。

目標的亮度B與背景亮度B₀之間存在一對比度C，定義為：

　　（2-18）

考慮位于水平距離L處的黑色目標，面積為A，它在觀測者眼睛處的立體角為ΔΩ=A/L2。假設大氣是均勻不相干散射體介質，則從元量體積ΔAΔL'向觀測者射出的散射通量為：

　　（2-19）

C₁為比例常數，σ_e為大氣消光系數。到達觀測者眼睛上的照度為：

　　（2-20）

比例常數C₂已包括前一式的C₁。目標在觀測者眼睛的亮度為：

　　（2-21）

在視線范圍0～L內對大氣介質進行積分，得黑色目標物的視亮度為：

　　（2-22）

為了確定C₂，設想目標移至無限遠處，則其亮度等效于背景天空的亮度B₀，即當L→∞時，B₀=C₂，故

　　（2-23）

此即Koschmieder公式，可作為激光探測能見度的基礎。把它代入式（2-18）得到：

　　（2-24）

正常人視力識別目標的對比度閾值，Koschmieder取為0.02（實際上并非常數，變化范圍為0.007～0.04，取決于目標物的視角），將此時對應的最大距離記為能見度V_m，由此可得均勻不相干大氣的能見度方程為：

　　（2-25）

由此可見，嚴格按氣象能見度定義觀測獲得的V_m僅與大氣水平消光系數有關。

世界氣象組織（WMO）規定的氣象光學能見度（MOR）定義一色溫為2700K的白熾燈，當其平行光束的光通量減小到原始值的0.05時，在大氣中所通過的距離。即把人眼的對比度閾值取為0.05，此時

　　（2-26）

作為近似，可用人眼最敏感的綠光（λ=0.55μm）的消光系數代替，當用其他波長時應做相應的訂正：

　　（2-27）

q為波長修正因子，視能見度不同而取不同數值

　　（2-28）

（1）水平能見度

如果得到水平均勻大氣的消光系數，即可計算水平能見度，而激光雷達是獲得大氣消光系數的有力工具。通常，大氣在水平方向上是比較均勻的，因此水平方向上的米散射激光雷達方程可寫為

　　（2-29）

式中　P（R）——激光雷達接收的大氣后向散射光的回波功率，W；

C——激光雷達系統常數，W·km3·sr；

β——大氣水平后向散射系數，km-1·sr-1；

σ_H——大氣水平消光系數，km-1。

對式（2-29）兩邊取對數并對距離R求導得出

　　（2-30）

由于已假定大氣水平均勻，故。因此，對ln［P（R）R2］和R進行最小二乘法線性擬合，擬合直線斜率的一半則是大氣水平消光系數σ_H，它包含來自大氣中氣溶膠粒子和空氣分子的共同貢獻。這就是確定大氣水平消光系數σ_H的斜率法。

水平能見度V_m：

　　（2-31）

上述方法由于其簡單明了已被廣泛使用，但必須指出在推導時做了如下假定：

①沿水平路徑上大氣消光系數是恒定的；

②水平路徑上每個體積元的光散射量與體積元體積、大氣消光系數成正比，而且沿水平路徑保持不變；

③觀察目標物是絕對黑體，且以水平天空作為觀察背景；

④人眼的對比度閾值為0.02。

（2）垂直能見度

大氣在水平方向可以假定是均一的，但在垂直方向卻有顯著變化。觀察者從地面向上觀察能看到的最大高度定義為垂直能見度。根據文獻，距離Z處的垂直能見度與距離Z處的消光系數和對比度閾值ε有關，表達式為：

　　（2-32）

在距離Z₁和Z₂處的兩個點之間的平均能見度由下式給出：

　　（2-33）

很顯然，式（2-32）定義了一個點的大氣屬性，而式（2-33）則定義了一個平均的大氣屬性。

2.2.3.2　大氣邊界層的探測

對流層從地面向上一直可以延伸到平均高度11km，但通常只有最低處幾公里才直接受下墊面影響。大氣邊界層就是直接受地面影響的那部分對流層，它響應地面作用的時間尺度為1h或更短。這些作用包括摩擦阻力、蒸發和蒸騰、熱量輸送、污染物排放以及影響氣流變化的地形等。大氣邊界層厚度是完全隨時間和空間變化的，變化幅度從幾百米到幾公里。大氣邊界層高度是近地面大氣對流混合所能達到的高度，邊界層內聚集著大量的顆粒物，層內水汽也十分豐富，相對濕度大。而在逆溫層上部的自由大氣內，顆粒物濃度和水汽含量都迅速減小，因此邊界層高度可以很大程度上反映顆粒物的空間分布狀況。

根據大氣結構的特點，可以根據顆粒物消光系數的垂直分布來確定大氣邊界層的高度。由激光雷達所測的信號反演得到的顆粒物消光系數對應著探測高度的顆粒物濃度，消光系數越大，在該高度上的顆粒物濃度就越大。通常在大氣邊界層與上界自由大氣的交界高度處顆粒物消光系數迅速減弱，所以邊界層的高度可用顆粒物消光系數的最大突變（即最大遞減率）的高度來確定。

利用激光雷達探測大氣邊界層的高度，主要是從激光雷達的回波信號中提取出相關信息，如原始信號廓線、消光后向散射比廓線、消光系數廓線等的分布變化。

利用回波信號X（Z）廓線：在激光雷達的回波信號廓線中，在某一高度若氣溶膠濃度高（或有云層存在），則該高度處的回波信號相應也很強；反之亦然。由2.2.2部分可知，在大氣邊界層與自由大氣層的交界高度，激光雷達接收到的回波信號應迅速減弱，故對回波信號進行距離修正和重疊修正后，得到X（Z）=P（Z）Z2，求取對高度Z的斜率-d/dZ，找到斜率的最大值，該最大值處的高度即為大氣邊界層的高度。如圖2-10所示。

從圖2-10可看出，回波信號在1550m左右具有最大衰減率（排除近地面影響），故此高度即為該時刻大氣邊界層的高度。

利用氣溶膠散射比R（Z）廓線：反演出氣溶膠散射比廓線R（Z），并計算出其變化率-dR（Z）/dZ，若某個高度處的-dR（Z）/dZ的值最大，該高度即可認為是大氣邊界層的高度。

利用氣溶膠消光系數α（Z）廓線：同理，反演出氣溶膠消光系數廓線α（Z），并計算出其變化率-dα（Z）/dZ，某個高度處的-dα（Z）/dZ的值最大，該高度即可認為是大氣邊界層的高度。

消光系數廓線及其一階導數如圖2-11所示。

2.2.3.3　大氣痕量氣體的測量

（1）SO₂的監測

SO₂是化石燃料在燃燒時產生的最重要污染物之一，其產生的量與燃料中硫的含量直接有關。在大氣中SO₂氣體轉變為硫酸或硫酸鹽顆粒，并隨著雨霧而沉降到地面，這就是某些地區酸雨的來源。SO₂的吸收光譜主要在300nm附近區域。

差分吸收激光雷達（DIAL）技術在測定某工廠排放的污染物的總流量時是非常有用的，用激光雷達系統的光束對工廠順風邊的大氣垂直掃描就可以進行這樣的測定。這一方法不但能測出煙囪的排放物，而且可測出排氣管和閥門泄漏等的零星排放。在DIAL系統的計算機上對不同方向測量的DIAL曲線進行自動計算，得到的濃度以灰度級來表示，總的數據采集時間是20min，從數據結果中可計算出區域總的濃度值N_A的數據。將該濃度值乘以垂直于測量平面的風速分量，就可得到該工廠的總流量F_tol：

　　（2-34）

式中　N_A——流量函數；

?——測量方向和垂直于煙的方向的夾角。

很明顯，為了精確地測量流量，正確的風速測量和正確的DIAL測量是同等重要的。

由于采用高效率的羅丹明染料經倍頻后可獲得檢測SO₂所需的DIAL激光波長，激光脈沖的能量是很高的，足以進行實用性的遠距離測量；最后實測結果顯示的是水平距離達4km的“λ_on”和“λ_off”波長上的測量曲線及相應的DIAL曲線。大約在3km距離處遇到了薄云，但在云過去后信號得到了恢復。該項測量是冰島地熱區釋放的H₂S在順風處可能轉變為SO₂項目的部分研究內容。實驗結果顯示，SO₂的濃度非常低，在更長距離時濃度也沒有增加，說明H₂S轉變為SO₂的大氣化學反應需要較長時間。

下面介紹用車載激光雷達對工廠SO₂進行等濃度線分布測量與垂直廓線測量的例子。該雷達采用Nd：YAG激光532nm倍頻泵浦羅丹明染料激光器，并再倍頻獲得紫外激光，取λ_on=300.3nm、λ_off=299.3nm作為SO₂的測量激光線。在等濃度線分布測量中，激光雷達距廠區的排放源約1km。激光雷達對廠區范圍進行16個方位角的水平扇形掃描。每個測量角度的探測時間為1min，對整個區域完成一次掃描的時間為16min，共用2.5h進行了9次掃描。從等濃度線可清楚看出在排放煙囪的周圍水平面內SO₂濃度的分布情況，在工廠的下風區域，煙霧分成兩部分，上部的濃煙團是由122m高的煙囪直接排放出來的；100m以下的彌散煙霧是由工廠擴散出來的，濃度較小。擴散煙霧中SO₂的等濃度線間隔為200μm/m3。由測量獲得的總積分濃度乘以通過風速機測量出的風速，可以計算出從該工廠排放出的污染物的流量。另一方面，如果對同一區域同時進行平面的與垂直剖面的測量，將可得到大氣污染物的三維空間分布狀況。

（2）O₃的監測

當前，對O₃的監測受到極大的關注。對流層臭氧濃度的逐步增加，被認為至少部分地與在歐洲所觀察到的不斷被破壞的森林有關；平流層的O₃層正被耗盡，很可能是O₃與含氟烴類化合物（氟利昂）的化學反應引起的。許多研究小組已經對平流層的O₃進行了各種測量。為了在平流層高度上進行測量，需要激光雷達系統使用高能量（約1J）脈沖激光、大接收面積（孔徑約1m）的望遠鏡以及光子計數探測裝置。為了避免探測光在低空時就被過量吸收，對平流層的O₃進行測量，需要使用被O₃吸收很弱的激光波長（較長的波長）。檢測O₃要使用波長間隔較寬的波長對，需要對不同波長上的不同米散射進行修正。當通過對流層這樣的粒子層時，這種修正特別關鍵。

（3）NO₂的監測

NO在所有高溫燃燒中形成，是工業生產特別是汽車運輸的重要污染物。NO在排放到空氣中不久，就立即被氧化成NO₂，繼而轉變為HNO₃，從而形成酸雨使土壤酸化。NO₂的吸收譜位于藍色光譜區，是被DIAL技術測量的第一個污染物。

（4）NO的監測

NO具有一個很強的吸收帶，圖2-12所示的是位于紫外短波段的γ譜帶。Alden等第一個報道了NO的大氣紫外激光雷達測量。他們所用的光源是受激拉曼散射產出的輻射。為對NO煙霧進行DIAL測量，采用了混頻方法，首先對575nm的染料激光倍頻，然后與余下的Nd：YAG基頻輻射在第二塊KDP晶體中混頻，得到波長為226nm的激光輸出。

圖2-13給出了垂直掃描煙囪順風邊的結果。

由于NO的吸收波長接近NO₂吸收波長的1/2，因此使用同一倍頻激光器可以同時測量這兩種氣體。KPB（五硼酸鉀）倍頻晶體的轉換效率太低，但使用新的非線性晶體BBO（β硼酸鋇），兩種污染物同時監測已成現實。

2.2.3.4　其他氣體的監測

許多其他污染氣體的DIAL監測也已做了演示，盡管這種技術對這些氣體的可操作性沒有對SO₂、O₃、NO₂、NO和Hg的強。甲苯和苯分別在267nm和253nm的DIAL監測最近已有報道，分子氯（Cl₂）顯示了在紫外譜區的寬帶吸收，和O₃相似，在Cl₂的DIAL測量中也需要有足夠大的波長分開。人造Cl₂云的DIAL測量的演示實驗已經由Edner等開展。從焚燒船排放的HCl已經由Weitkamp用3.6μm的DF激光進行了監測。用混頻技術，由CO₂激光已經產出了大約5μm的激光波長，用于CO、NO、肼和其他燃料的DIAL監測。烴類化合物可以用CH伸展波長3.4μm進行測量，而實際的DIAL測量是由Milton等做的。也已建立了一套特殊的簡化系統用于檢測從天然氣管道中漏出的CH₄。在一個系統中氣體相關激光雷達技術被用于泄漏的CH₄的檢測。在CO₂激光波長（10μm）處直接的和外差的DIAL監測的一些實驗已進行并用于氟利昂-12、乙烯、O₃、NH₃和SF₆的測定。

隨著激光器、光電子技術、計算機技術及信號探測技術的發展，激光雷達在大氣探測領域的應用越來越廣泛，并逐步在國際大氣合作計劃中得到應用。現就其發展過程和趨勢歸納如下。

（1）實驗室研制到產品化、商品化

由于激光雷達能夠監測多種重要大氣成分的空間分布，并具有測量范圍大和時空分辨率高等優點，具備其他地基手段不可替代的作用，因此其應用前景比較廣闊。目前，單波長米散射激光雷達及測污染差分吸收激光雷達已商品化。例如，美國SESI公司研制的微脈沖激光雷達系列、德國ELIGHT公司開發的車載測污激光雷達、美國ORCA及加拿大OPTECH公司開發的激光雷達系列等，已經從實驗室研究發展到商業公司的產品研制開發。

（2）單波長單功能向多波長多功能化發展

隨著激光雷達技術的發展，激光雷達從最早的單波長米散射探測氣溶膠的空間分布，到現在的多波長多功能化，可探測多種大氣成分（氣溶膠、云、水汽和臭氧等）的分布，并研究這些大氣成分的光學特性、濃度分布及相互關系。同時，多波長激光雷達系統可以提供氣溶膠及其他大氣成分的更多信息。例如，A.Althausen等發展的6個激光波長同時發射和11個接收通道同時接收的激光雷達系統，同時具備Mie-Raman散射和偏振功能，通過多波長回波反演氣溶膠的消光、后向散射系數、尺度譜分布、有效半徑及折射率指數以及探測卷云與水汽等的分布。

（3）地基固定式向車載、機載及空間平臺發展

地基單點固定式激光雷達的長期觀測十分必要，對于研究和統計分析一些重要大氣成分的變化規律具有重要價值。但是，像車載、船載和機載式的可移動式平臺，其機動性強，將更能發揮激光雷達的功能和作用，而且其觀測資料更能代表區域性大氣成分的分布。機載式和船載式激光雷達可以在海洋上空觀測，它們在一些區域性乃至全球性大氣輻射和環境研究的對比實驗中發揮了重要作用。例如，印度洋實驗（INDOEX）、對流層氣溶膠輻射強迫觀測實驗（TARFOX）、全球對流層實驗（GTE）、太平洋地區微量成分變化（TRACE-P）等。尤其是星載空間激光雷達，它能夠進行全球范圍內重要大氣成分的主動遙感，并具有較高的時空分辨率和探測精度。米散射、差分吸收及多普勒（Doppler）激光雷達等已向星載平臺發展。1994年9月美國NASA成功進行了激光雷達空間技術實驗（LITE），盡管只有十幾天的觀測，但由于其實驗數據的特殊價值而引起了各國科學家的極大關注。隨后日本NASDA開展了空間激光雷達項目（ELISE）。最近，美國NASA開展研制新一代空間激光雷達（PISSCO-CENA）。加拿大太空局和歐洲太空局研制了空間測風多普勒（Doppler）激光雷達。

（4）單站到多站及布網的聯合觀測

隨著大氣輻射和環境科學國際合作研究的需要，單站激光雷達觀測的數據雖然十分重要，但由于大氣氣溶膠等重要大氣成分的局地性變化較大，遠遠滿足不了區域性乃至全球大氣合作研究的需要，而且也要求進行長期的觀測及大量的資料積累，這對于數值模式的檢驗和發展也十分必要。例如，全球火山灰氣溶膠的演變過程、沙塵氣溶膠的遠距離輸送、全球臭氧層的變化及溫度分布的變化等均需要布網聯合觀測。一些國際合作研究計劃，像全球平流層變化觀測網（NDSC）、氣溶膠特征實驗（ACE-Ⅰ、Ⅱ）等均使用多個激光雷達對一些重要大氣成分的空間分布進行觀測。歐洲氣溶膠研究激光雷達觀測網包括了歐洲不同國家21個地面激光雷達觀測站，亞洲沙塵激光雷達觀測網（AD-Net）對亞洲大陸沙塵氣溶膠的光學特性及其遠距離輸送進行聯合觀測，拉丁美洲激光雷達觀測網開展了對熱帶和南半球低緯度地區重要大氣成分的合作觀測。激光雷達技術的發展日趨成熟，激光雷達在大氣探測領域的作用也越來越突出。但是目前激光雷達在大氣探測領域的廣泛應用仍面臨著許多挑戰。例如，白天觀測受強背景光、噪聲的影響，激光雷達的有效探測高度受到很大限制，窄帶高截止濾光技術及整個系統如何壓低背景光的干擾等仍有很多工作要做。另外，在氣象和大氣環境監測部門的業務化使用仍十分有限，它除了要求較高的探測精度和靈敏度外，還需要穩定性較好、操作方便以及用戶可以接受的性價比等。