论文部分内容阅读
[摘要]目前，激光雷达是一种非常先进的大气和气象环境监测的仪器。它在大气的垂直结构和成分构成观测方面提供了非常可靠的依据。通过对激光雷达信号的物理参数的反演，可以得到一系列我们需要的物理量。在气象方面，可以应用在气溶胶，大气边界层，云物理学等学科的深入研究中。
[关键词]激光雷达 后向散射 气溶胶 大气边界层
[中图分类号] TN958.98[文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-11-188-2
0前言
激光雷达是一种主动遥感技术，是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。50多年来，激光雷达技术从最简单的激光测距技术，逐步发展了激光跟踪、测速、扫描成像、多普勒成像等技术，陆续开发出不同用途的激光雷达，使激光雷达成为一类具有多种功能的系统。激光雷达之所以受到关注，是因为其具有一系列独特的优点：具有极高的角分辨率、具有极高的距离分辨率、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强、比微波雷达的体积和重量小等。随着技术的不断成熟，成本的下降，其他领域陆续引进了激光雷达，并发挥着非常重要的作用。
1激光雷达的结构和原理
一般情况下，激光雷达主要由三部分组成，激光发射单元，信号探测控制单元和光学接受单元。激光发射单元发射出激光脉冲，在传输过程中遇到粒子会产生一个向后的反射信号，光学接受单元接受到这个信号并进行处理，把光信号放大转化成电子信号输出。根据反馈信号的强度可以确定所研究粒子的浓度，粒子所处的高度可以由从发射到接受之间的时间间隔来确定。
激光雷达的方程为：
P（Z）为激光雷达接收到的高度Z处的大气后向散射回波信号的能量，E为激光雷达的发射能量，C是激光雷达常数，和发射频率，接收灵敏度等有关；Z是到激光雷达到目标粒子的距离；
βtotal是总的后向散射系数，βmol是空气后向散射系数，βpart是气溶胶后向散射系数；
σtotal是总的消光系数，是激光脉冲在传输过程中衰减产生的， σsmol是空气散射系数，σspart是气溶胶散射系数，σAmol是空气气吸收系数，σApart是气溶胶吸收系数。
求解激光雷达方程常有的有三种方法：Collis斜率法，Klett[1]方法和Fermald[2]方法。Collis斜率法假设大气是均匀分布，消光系数为常数。当在水平方向进行测量，可以忽略细小差异，认为大气是均匀，应用此方法比较简便。如果观测垂直方向上的大气垂直分布，大气分布不均匀的现实并不能忽略，故不能采用此方法。这时通常采用Klett算法来求解，在此算法中，假设β=C0σkβ，其中C0为常数，k取决于雷达激光的波长和气溶胶的性质，取值范围一般在0.67～1。再结合激光雷达方程就可以得到结果。其中k的取值对计算的结果有很重要的影响。张文煜，王音淇等[3]结合能见度因子和CE318太阳光度计观测数据，对k在不同天气状况下的取值进行了初步研究，结果表明：只有当0.7≤k≤1.0时，气溶胶消光系数的大小与能见度估算出的值相接近。但在k=0.7时，计算出的气溶胶消光系数正、负参半； k=1.0时，消光系数廓线在晴天无云的天气状况下同实际情况不符。通过进一步分析研究激光雷达和光度计的同期观测资料发现：k=0.8时，较合理的数据所占比例为100%，k=0.98，比例为40%，k=1.0仅为12%。通过采用Klett方法可以克服均匀大气的限制，使结果更符合实际。但当气溶胶和大气的消光作用相差不大，大气的消光作用不能忽略时，就必须采用第三种Fermald方法。Fermald方法将大气看做两个部分：空气分子和气溶胶，认为大气消光系数（或后向散射系数）是空气分子的消光系数（或后向散射）与气溶胶消光系数（或后向散射）的和，在实际的应用中，Klett和Fermald方法应用更广泛。
2激光雷达物理量的反演方法
激光雷达接收到的是光电子信号，想要得到我们需要的物理量，赋予它合适的物理意义，就必须对接收到的信号进行分析处理，反演得到我们需要的结果。
2.1消光系数（σ）
Collis方法：
其中S（Z）=ln[Z2P（Z）]，
Klett方法：
Zm为参考高度，为所观测范围的上界。σm=σ（Zm），Zm为这一薄层的消光系数 。
Fernald方法：Zc为标定高度，一般是通过选取近乎不含气溶胶的清洁大气层所在的高度来确定。这一高度处的气溶胶粒子和空气分子消光系数都是确定的。Zc以下高度下的气溶胶粒子消光系数为：
Zc高度以上的气溶胶粒子消光系数为：
下标1，2分别代表气溶胶与空气分子。S=σ/β，X（z）=P（z）Z2。σ2（z）可以根据美国标准大气模式提供的空气分子密度的垂直廓线计算得到。这三种方法由简到繁，随着计算水平的提高，一般都选择后面两种方法。
2.2能见度
大气能见度与消光系数的基本关系为：y=-lnε/σ。其中 为能见度距离，σ为大气消光系数，ε为人眼的亮度对比感阈。通常情况下正常人眼的平均亮度对比感阈ε=0.02。带入上式，即得能见度方程： =3.912/σ。
2.3气溶胶光学厚度
将消光系数随高度进行积分，就能够得到气溶胶的光学厚度（AOT）：
2.4后向散射系数
根据反演出的消光系数，由后向散射系数和消光系数的关系，可得
β=C0σk
2.5退偏振率
激光雷达可以利用偏振原理可以分别接受到后向散射在高度z处的平行分量Prp和垂直分量Prs。Kp和Ks分别表示平行分量探测通道和垂直分量探测通道的系统常数。σp（z）和σs（z）分别表示高度z处大气消光系数的平行和垂直分量。退偏振率δ（z）为： 粒子的退偏振率和粒子的浓度无关，只与形状和成分有关。NIES型Mie散射激光雷达可以发射偏振激光束，偏振激光遇到纯球形粒子发生散射时，只返回平行偏振组分，遇到不规则粒子时，垂直组分也能观测到。退偏振率即为垂直组分与水平组分的比值。沙尘大部分为非球形粒子，退偏振率比较高，其他气溶胶粒子更接近球形。通过气溶胶的退偏振率可以就区分沙尘气溶胶和大气气溶胶的分布和比例。
3激光雷达的应用
3.1激光雷达在气溶胶观测方面的应用
激光雷达可以有效对大气中气溶胶的垂直分布，构成成分，光学特性等进行检测分析。曹贤洁，张镭等[4]利用激光雷达CE370-2与太阳光度计CE-318，在兰州观测分析了2007年3月27～29日扬沙过程气溶胶辐射特性。发现沙尘气溶胶主要集中于离地1.5km高度层内，沙尘气溶胶消光系数随高度先增加，到0.2km左右高度达到最大，然后急剧减小。沙尘气溶胶光学厚度的时间演变呈双峰型。通过与太阳光度计得到的结果相比较，结果很接近。表明了雷达观测资料的处理方法可以较好的反演气溶胶消光系数和光学厚度。大量的观测研究都表明，激光雷达对气溶胶的垂直分层结构可以进行非常有效的持续的观测。
3.2激光雷达在大气边界层方面的应用
大气边界层是与人类关系最为密切的气层。由于热力作用导致的强烈的日变化是大气边界层的一个重要特征。边界层高度随地表特征、季节和天气背景的不同而不同，每天可在几十米至几千米内变化。韩道文，张文清等[5]利用激光雷达检测了北京城区冬季边界层，发现大气结构存在着多层结构，大体上可分为污染边界层和对流层，测站上空的污染边界层较为明显，其高度相对稳定，约为0.5-1.4km。
大气边界层作为距离人们最近的一个气层，对人们的影响是最直接和敏感的。借助激光雷达，能细致的观测到大气的分层结构，而且通过连续观测，可以准确掌握大气边界层的变化规律，为理论研究提供最可靠的依据。
3.3其他方面的应用
除了以上的应用，激光雷达还在温度探测，风的探测，大气成分，能见度等方面发挥着很大作用。目前利用激光雷达探测大气温度多数是利用瑞利散射，如美国通讯研究实验室（CRL）的瑞利散射激光雷达系统 、加拿大Western Ontario大学的瑞利散射激光雷达系统等。随着研究的深入，激光雷达的作用也会愈发的凸显出来。
4小结
激光雷达技术集合了光电子学，大气学，测绘遥感等多领域的最新成果，是一种非常先进的探测手段。由于成本等方面原因，在气象领域的应用还不是非常的普及。激光雷达对气象观测有极大的促进作用，但不能否认其在探测方面也有一定的缺点。首先，激光雷达属于高科技含量的产品，在制造设计中没有统一的标准和反演的方法，数据的可比性和移植性比较差。其次，激光雷达只能实行定点的观测，观测的水平范围较小，而且受天气及气象影响大，性能还有待进一步的提高。当然，随着激光雷达精细化和定量化程度的提高，其发展的潜力还是非常巨大的。
参考文献
[1]Klett，J.D.，Stable analytical inversion solutions for processing lidar returns，A ppl Opt，1981，20，211～220.
[2]Fermald，F.G.，Analysis of atmospheric lidar observation：somecomments，Appl.Opt，1984，23，652～655.
[3]张文煜，王音淇，宋嘉尧等.激光雷达反演参数k值的研究.高原气象，2008，27（5），1083-1088.
[4]曹贤洁，张镭，周碧等.利用激光雷达观测兰州沙尘气溶胶辐射特性。高原气象，2009，28（5），1115-1121.
[5]韩道文，刘文清，张玉钧等.激光雷达检测北京城区冬季边界层气溶胶.大气与环境光学学报，2007，2（2），104-109.
[关键词]激光雷达 后向散射 气溶胶 大气边界层
[中图分类号] TN958.98[文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-11-188-2
0前言
激光雷达是一种主动遥感技术，是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。50多年来，激光雷达技术从最简单的激光测距技术，逐步发展了激光跟踪、测速、扫描成像、多普勒成像等技术，陆续开发出不同用途的激光雷达，使激光雷达成为一类具有多种功能的系统。激光雷达之所以受到关注，是因为其具有一系列独特的优点：具有极高的角分辨率、具有极高的距离分辨率、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强、比微波雷达的体积和重量小等。随着技术的不断成熟，成本的下降，其他领域陆续引进了激光雷达，并发挥着非常重要的作用。
1激光雷达的结构和原理
一般情况下，激光雷达主要由三部分组成，激光发射单元，信号探测控制单元和光学接受单元。激光发射单元发射出激光脉冲，在传输过程中遇到粒子会产生一个向后的反射信号，光学接受单元接受到这个信号并进行处理，把光信号放大转化成电子信号输出。根据反馈信号的强度可以确定所研究粒子的浓度，粒子所处的高度可以由从发射到接受之间的时间间隔来确定。
激光雷达的方程为：
P（Z）为激光雷达接收到的高度Z处的大气后向散射回波信号的能量，E为激光雷达的发射能量，C是激光雷达常数，和发射频率，接收灵敏度等有关；Z是到激光雷达到目标粒子的距离；
βtotal是总的后向散射系数，βmol是空气后向散射系数，βpart是气溶胶后向散射系数；
σtotal是总的消光系数，是激光脉冲在传输过程中衰减产生的， σsmol是空气散射系数，σspart是气溶胶散射系数，σAmol是空气气吸收系数，σApart是气溶胶吸收系数。
求解激光雷达方程常有的有三种方法：Collis斜率法，Klett[1]方法和Fermald[2]方法。Collis斜率法假设大气是均匀分布，消光系数为常数。当在水平方向进行测量，可以忽略细小差异，认为大气是均匀，应用此方法比较简便。如果观测垂直方向上的大气垂直分布，大气分布不均匀的现实并不能忽略，故不能采用此方法。这时通常采用Klett算法来求解，在此算法中，假设β=C0σkβ，其中C0为常数，k取决于雷达激光的波长和气溶胶的性质，取值范围一般在0.67～1。再结合激光雷达方程就可以得到结果。其中k的取值对计算的结果有很重要的影响。张文煜，王音淇等[3]结合能见度因子和CE318太阳光度计观测数据，对k在不同天气状况下的取值进行了初步研究，结果表明：只有当0.7≤k≤1.0时，气溶胶消光系数的大小与能见度估算出的值相接近。但在k=0.7时，计算出的气溶胶消光系数正、负参半； k=1.0时，消光系数廓线在晴天无云的天气状况下同实际情况不符。通过进一步分析研究激光雷达和光度计的同期观测资料发现：k=0.8时，较合理的数据所占比例为100%，k=0.98，比例为40%，k=1.0仅为12%。通过采用Klett方法可以克服均匀大气的限制，使结果更符合实际。但当气溶胶和大气的消光作用相差不大，大气的消光作用不能忽略时，就必须采用第三种Fermald方法。Fermald方法将大气看做两个部分：空气分子和气溶胶，认为大气消光系数（或后向散射系数）是空气分子的消光系数（或后向散射）与气溶胶消光系数（或后向散射）的和，在实际的应用中，Klett和Fermald方法应用更广泛。
2激光雷达物理量的反演方法
激光雷达接收到的是光电子信号，想要得到我们需要的物理量，赋予它合适的物理意义，就必须对接收到的信号进行分析处理，反演得到我们需要的结果。
2.1消光系数（σ）
Collis方法：
其中S（Z）=ln[Z2P（Z）]，
Klett方法：
Zm为参考高度，为所观测范围的上界。σm=σ（Zm），Zm为这一薄层的消光系数 。
Fernald方法：Zc为标定高度，一般是通过选取近乎不含气溶胶的清洁大气层所在的高度来确定。这一高度处的气溶胶粒子和空气分子消光系数都是确定的。Zc以下高度下的气溶胶粒子消光系数为：
Zc高度以上的气溶胶粒子消光系数为：
下标1，2分别代表气溶胶与空气分子。S=σ/β，X（z）=P（z）Z2。σ2（z）可以根据美国标准大气模式提供的空气分子密度的垂直廓线计算得到。这三种方法由简到繁，随着计算水平的提高，一般都选择后面两种方法。
2.2能见度
大气能见度与消光系数的基本关系为：y=-lnε/σ。其中 为能见度距离，σ为大气消光系数，ε为人眼的亮度对比感阈。通常情况下正常人眼的平均亮度对比感阈ε=0.02。带入上式，即得能见度方程： =3.912/σ。
2.3气溶胶光学厚度
将消光系数随高度进行积分，就能够得到气溶胶的光学厚度（AOT）：
2.4后向散射系数
根据反演出的消光系数，由后向散射系数和消光系数的关系，可得
β=C0σk
2.5退偏振率
激光雷达可以利用偏振原理可以分别接受到后向散射在高度z处的平行分量Prp和垂直分量Prs。Kp和Ks分别表示平行分量探测通道和垂直分量探测通道的系统常数。σp（z）和σs（z）分别表示高度z处大气消光系数的平行和垂直分量。退偏振率δ（z）为： 粒子的退偏振率和粒子的浓度无关，只与形状和成分有关。NIES型Mie散射激光雷达可以发射偏振激光束，偏振激光遇到纯球形粒子发生散射时，只返回平行偏振组分，遇到不规则粒子时，垂直组分也能观测到。退偏振率即为垂直组分与水平组分的比值。沙尘大部分为非球形粒子，退偏振率比较高，其他气溶胶粒子更接近球形。通过气溶胶的退偏振率可以就区分沙尘气溶胶和大气气溶胶的分布和比例。
3激光雷达的应用
3.1激光雷达在气溶胶观测方面的应用
激光雷达可以有效对大气中气溶胶的垂直分布，构成成分，光学特性等进行检测分析。曹贤洁，张镭等[4]利用激光雷达CE370-2与太阳光度计CE-318，在兰州观测分析了2007年3月27～29日扬沙过程气溶胶辐射特性。发现沙尘气溶胶主要集中于离地1.5km高度层内，沙尘气溶胶消光系数随高度先增加，到0.2km左右高度达到最大，然后急剧减小。沙尘气溶胶光学厚度的时间演变呈双峰型。通过与太阳光度计得到的结果相比较，结果很接近。表明了雷达观测资料的处理方法可以较好的反演气溶胶消光系数和光学厚度。大量的观测研究都表明，激光雷达对气溶胶的垂直分层结构可以进行非常有效的持续的观测。
3.2激光雷达在大气边界层方面的应用
大气边界层是与人类关系最为密切的气层。由于热力作用导致的强烈的日变化是大气边界层的一个重要特征。边界层高度随地表特征、季节和天气背景的不同而不同，每天可在几十米至几千米内变化。韩道文，张文清等[5]利用激光雷达检测了北京城区冬季边界层，发现大气结构存在着多层结构，大体上可分为污染边界层和对流层，测站上空的污染边界层较为明显，其高度相对稳定，约为0.5-1.4km。
大气边界层作为距离人们最近的一个气层，对人们的影响是最直接和敏感的。借助激光雷达，能细致的观测到大气的分层结构，而且通过连续观测，可以准确掌握大气边界层的变化规律，为理论研究提供最可靠的依据。
3.3其他方面的应用
除了以上的应用，激光雷达还在温度探测，风的探测，大气成分，能见度等方面发挥着很大作用。目前利用激光雷达探测大气温度多数是利用瑞利散射，如美国通讯研究实验室（CRL）的瑞利散射激光雷达系统 、加拿大Western Ontario大学的瑞利散射激光雷达系统等。随着研究的深入，激光雷达的作用也会愈发的凸显出来。
4小结
激光雷达技术集合了光电子学，大气学，测绘遥感等多领域的最新成果，是一种非常先进的探测手段。由于成本等方面原因，在气象领域的应用还不是非常的普及。激光雷达对气象观测有极大的促进作用，但不能否认其在探测方面也有一定的缺点。首先，激光雷达属于高科技含量的产品，在制造设计中没有统一的标准和反演的方法，数据的可比性和移植性比较差。其次，激光雷达只能实行定点的观测，观测的水平范围较小，而且受天气及气象影响大，性能还有待进一步的提高。当然，随着激光雷达精细化和定量化程度的提高，其发展的潜力还是非常巨大的。
参考文献
[1]Klett，J.D.，Stable analytical inversion solutions for processing lidar returns，A ppl Opt，1981，20，211～220.
[2]Fermald，F.G.，Analysis of atmospheric lidar observation：somecomments，Appl.Opt，1984，23，652～655.
[3]张文煜，王音淇，宋嘉尧等.激光雷达反演参数k值的研究.高原气象，2008，27（5），1083-1088.
[4]曹贤洁，张镭，周碧等.利用激光雷达观测兰州沙尘气溶胶辐射特性。高原气象，2009，28（5），1115-1121.
[5]韩道文，刘文清，张玉钧等.激光雷达检测北京城区冬季边界层气溶胶.大气与环境光学学报，2007，2（2），104-109.