大气探测激光雷达技术发展综述

激光雷达技术作为一种主动遥感技术可以实现气溶胶时空分布探测。气溶胶激光雷达具有探测距离远、探测距离分辨率高的特点，其在水平尺度的探测范围在0.1~10km，垂直尺度的探测范围在0.1~20km，探测距离分辨率可低至3.75m^[1]。

大气气溶胶探测激光雷达利用激光与大气及气溶胶的相互作用来进行主动遥感，从而测量气溶胶的各项参数，现已应用于大气科学研究、环境监测等领域。我国激光雷达研究自上20世纪60年代起发展至今，其探测机制从单波长的单参量探测发展到多波长的多参量探测，探测对象涵盖大气气溶胶、云、海盐等气溶胶颗粒物，还可进行大气温度、相对湿度（RH）等气象要素的探测，载体平台也从地基雷达发展到车载、舰载、机载及星载。随着光电探测技术的发展，以及国家生态环境部门与气象预报部门等行业的急切需要国内外激光雷达行业发展迅猛，单波长气溶胶探测激光雷达已经实现产品化，多波长激光雷达也广泛应用于气溶胶机理研究中。

不同探测机制激光雷达，包括米（Mie）散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼（Raman）散射激光雷达和高光谱分辨率（HSRL）激光雷达等，它们各有优劣。

2.1  米散射激光雷达

米散射激光雷达是激光雷达分类中的一种，多用于探测高度为30km以下低空的尘埃、云以及雾等气溶胶粒子。其中米散射是指由大气中的各种固态和液态的气溶胶粒子，其中包括有尘埃和烟雾以及云层等与激光的相互作用后所引起的一种激光波长不产生变化的弹性散射，与其他散射方式相比，米散射具有较大的散射截面^[2]，因此在使用米散射激光雷达进行探测时，所接收到的米散射激光雷达回波信号通常较大^[3]，从技术角度来看相对简单，因此米散射激光雷达便成为一种探测气溶胶特性的十分有效的工具。

2.2  高光谱探测激光雷达

与米散射激光雷达所不同的是，高光谱分辨率激光雷达（HSRL）是一种以精细分光技术为核心的激光雷达，并且其具有十分高的光谱分辨能力。因为高光谱分辨率激光雷达是一种全波段下观测的激光雷达，受到了很多国内外研究学者的重视与广泛应用，取得了很多较好的成果^[4]。在高光谱分辨率激光雷达的发展中，利用较多的滤波器（主要指其所使用的分光器件）主要有Fabry-Perot干涉仪（法布里珀罗干涉仪）、碘分子吸收池以及迈克尔逊干涉仪（FWMI）。国内学者也在积极地探讨与研究高光谱分辨率激光雷达，并且中国海洋大学在2008年间将碘分子吸收池作为精细分光滤波器后，成功研制出了我国国内第一台波段为532nm的高光谱分辨率激光雷达，随后成功地探测得到了该地区上空的气溶胶的光学参量，即消光系数以及后向散射系数^[5]。2017年以来，中国科学院、浙江大学开展了大量关于高光谱分辨率激光雷达的研究工作。在近红外单光子探测方向，中国科技大学研制基于IGaAs/InP负反馈雪崩光电二极管的自由运行模式单光子探测器样机，分别针对单模光纤耦合和多模光纤合的探测器搭建了各自的性能标定系统，将InGaAs/InP自由运行模式单光子探测器应用于高精度气溶胶激光雷达系统，提出了计数率修正算法和后脉冲修正算法，经修正后的激光雷达信号与高性能超导纳米线单光子探测器探测信号的平均误差仅1.3%^[6]。

2.3  拉曼激光雷达

在探测气溶胶的光学参量时，除了使用传统的米散射激光雷达以及高光谱分辨率激光雷达以外，还有拉曼散射激光雷达^[7]。利用拉曼散射激光雷达探测气溶胶光学参量也是一种极为有效的方式，并且由于可以不假设大气状态（如雷达比），可以成功避免引入误差。中科院（安徽）光学精密机械研究所搭建了三波长拉曼激光雷达，因此实现了使用拉曼激光雷达对卷云的探测。西安理工大学搭建了转动-振动拉曼激光雷达，用以对大气温湿度及水汽进行探测。中国海洋大学也利用拉曼激光雷达对大气气溶胶的光学参量和水汽的混合比进行了探测^[8]。

激光雷达在大气探测中应用广泛，目前已在气溶胶探测、温湿度探测、风场探测和能见度探测领域有所应用。

3.1  大气气溶胶探测

激光雷达应用于大气气溶胶探测时，主要以单波长或多波长米散射激光雷达为主，技术比较成熟。单波长米散射激光雷达主要探测大气气溶胶光学特性，包括散射系数、消光系数及雷达比。而多波长米散射激光雷达除了具备单波长激光雷达的特性，亦可以得到粒谱分布和气溶胶消光系数。大气气溶胶探测激光雷达为研究激光在大气中的传输特性、大气环境湍流等提供了重要的科学依据。

西安理工大学对近红外波段的气溶胶光学参数独立探测技术展开研究，提出了利用转动拉曼信号实现1064nm波段气溶胶消光系数和后向散射系数独立探测的方法和技术。设计了一套近红外波段的转动拉曼激光雷达系统，并进行实验系统搭建，开展了气溶胶观测实验。

中国科技大学和浙江大学则利用高光谱激光雷达相比典型的米散射激光雷达和拉曼激光雷达时空分辨率高、理论探测精度准、信噪比强等优点，在该领域开展研究^[9]。中国科技大学研发出基于近红外自由运行铟镓砷单光子探测器实现的1550nm颗粒物光量子雷达设备，并在环保领域中的组网监测应用系统，这一新型的网络监测系统相比于传统激光雷达具备快速扫描定位、自动识别污染源、自动生成报告、实时精准溯源、人眼安全不可见、区分区域传输和本地产生污染源等优势^[10]。

3.2  大气风场探测

激光雷达完成大气风场探测主要基于多普勒雷达法和相干多普勒法^[11]。该两种方法均通过频移变化来测量大气中风场的有关性质，其基本原理为分子运动会造成多普勒效应，利用少量颗粒的后向散射信号，检测大气中风速、紊流等相关量，最终实现风场的实时探测^[12]。

刘秉义等成功研制的车载测风激光雷达，能够实现风廓线和三维大气风场的探测，完成高时空分辨率的大气风场测量^[13]。试验结果表明，车载激光雷达风场探测数据与传统探空气球风廓线测量结果相同，具有相同的准确性。胡琦等通过激光雷达实现对某机场附近的风场情况探测，完成了对波动风场的预测^[14]。该方法通过模拟仿真风场的三维数据，得到风场的径向数据信息，通过激光雷达仿真大气中的风切边数据，实现对大气风场中的探测、识别和预报等工作。

3.3  大气颗粒物和污染物通量研究

激光雷达主要基于偏振原理、米散射原理等实现大气霾、颗粒物等大气悬浮物的探测，对探测大气环境近地面颗粒物质量浓度及雾霾机理研究具有重要意义^[15]。

偏振米散射激光雷达能够探测云层和大气边界层高度，通过测得的大气结合能见度、PM10、PM2.5，系统测量得到的颗粒物消光系数与地面PM10空气污染指数结果对比可知，两者具有较好的一致性。

在反演颗粒物浓度的基础上，结合多普勒测风雷达的结果，还可以计算得到一定时间和空间范围的颗粒物通量^[16]。

4.1  存在问题

激光雷达探测技术在大气领域得到了广泛应用，尽管理论已经完善，但由于工程化技术发展不成熟，仍然存在如下问题。

（1）探测距离较近。受限于激光在大气中传播的损耗以及光束本身的能量，激光雷达仅仅能够实现较小范围内的目标探测，最大作用距离通常在千米量级。（2）受环境影响较大。激光雷达的激光束受空气中粒子影响较大，天气变化中的水分、冰粒、云量等因素，均会影响激光的传输距离，因此受环境影响较大。（3）真实值与测量值存在误差。由于激光束在传输中会受到各种因素的影响，因此反演得到的结果与真实值存在较大误差。

4.2  未来发展

随着硬件系统的不断完善以及软件算法的不断更新迭代，大气探测中激光雷达具有广阔的应用前景，激光雷达具有以下发展趋势：

（1）快速、高精度扫描。快速扫描是指在保证精度的条件下，在更短的时间内完成对目标的探测。（2）作用距离远程化。在不损失测量精度情况下，尽量实现长距离的探测，增大作用距离能够获取更大范围的信息。（3）设备智能化。激光雷达与人工智能相结合，使其使用更加便捷，并与多种探测模式相结合，解决单一的技术缺陷。

总之，作为主动遥感探测工具，激光雷达技术极大满足了大气环境中多要素的探测需求，在大气观测中发挥着越来越重要的作用。随着世界上不同地区激光雷达资料的长期和系统积累，必将对其他应用领域起到引导性作用。