激光雷达技术在环境监测中的应用

徐从武

【摘 要】激光雷达作为一种新型技术，被广泛应用在军事工程、国民经济、环境监测等领域中。本文阐述了激光雷达的构成及原理，介绍了激光雷达在环境监测中的应用及其发展趋势，希望对激光雷达技术的发展具有一定的参考价值。

【关键词】激光雷达；环境监测；技术应用

随着时间推移，激光雷达技术已逐渐被广泛应用在军事工程、科学研究、国民经济及环境监测领域，特别是对气象因素测量及大气环境监测等方面显示出其独有的优势及光明的发展前景。

一、激光雷达的构成及原理

依据直接型探测激光雷达可以对发射系统所发出的信号进行接收的原理，通过记录信号传播所需的时间来对距离进行计算，从而得出信号起点与终点之间的距离。

1.激光器的选择。

在进行激光器的選择时需要遵从以下原则，需要考虑基于频率，可靠性，耐用性，成本及使用性等多个方面，而半导体激光器与以上方面的要求相符合。由于半导体激光器本身所具有的相干性不高特点，在进行间接型与直接型两种探测方式的选择时，毫无疑问应选择直接型探测方式。而直接型探测也有两种探测方式，分别是脉冲型与连续型。脉冲型的工作原理是通过窄脉冲来对激光到达目的地的时间进行记录，并以对该时间的测量，通过公式R=1/2CT来计算起点与终点之间的距离。其中R为距离，C为光速，往返时间为T。而连续型的工作原理是基于相位差原理，通过激光在起点与终点之间进行连续的扫描，并通过起点与终点的激光器相位差来对两者之间的距离进行计算。而通过对两者工作原理的比较，我们可以发现其各有所长，但因为连续型具有耗时长和操作难等缺点，所以人们一般都会选择半导体脉冲激光器。

2.激光雷达的成像方法。

经过对激光雷达的成像研究，我们发现其总共有三种成像方法，其中主要包括单元型探测器与面阵型探测器。首先说单元型探测器，单元型的探测范围较小，其扫描方式是将已经存在的扫描样本发射到目的地中的每个位置，其扫描结果主要分为从目标的角度到角度再到强度的图像测量方式，与从目标的角度到角度再到距离的两种图像测量方式。而面阵型探测器，其进行的测量范围包含扫描范围中的每个像素点。而相空间扫描与物空间扫描都是激光雷达中的主要成像技术，而在进行激光雷达扫描工作时采用物空间扫描方式进行的一般有卵形、双光楔、振镜与转镜四种扫描方式。光机扫描是第三种扫描方式，其主要存在与物空间扫描方式中。在经过大量的科学实践与经验总结，在对距离与强度图像进行测量工作时，应采取激光扫描器对其进行单元型测量，因为使用单元型的探测方式，可以使预期结果符合研究标准，且相对来说更容易实现。

二、激光雷达在环境监测中的应用

1.大气污染分布的监测。

给大气造成污染问题的主要原因，是一种在低空大气中存在丰富并被称为气溶胶的漂浮粒子。当空气中的漂浮粒子与激光雷达所发射出的激光发生反应后会产生散射现象，并且入射光的波长和漂浮粒子的尺度为同等数量的级别，而波长的一次方与散射系数成反比，而根据这一特点，米氏散射激光雷达可以对空间分布、气溶胶浓度及可见度进行测定。同时也可以对沙尘暴的产生、途经路线及其沉降过程进行监测，方便不同地区针对不同类型的沙尘暴采取不同应对措施，并通过植树造林等手段以阻碍或改变沙尘暴的路线。

2.大气成分的监测。

利用气体分子使激光被吸收及其被大气分子、气溶胶的后向散射两方面的作用效果来对差分吸收激光雷达进行合理设置，其主要功能是用来测定大气中的成分，这之中包括臭氧、水蒸汽及大气污染的空间浓度及分布情况等。其工作原理主要是通过激光雷达发射出两种不等波长的光，然后一个波长被调到等待监测物质的吸收线上，另一个波长则被调到吸收线上较小吸收系数的边翼，并将两种波长以高重复频率的形式交替发射到大气中。而由于被测对象将两种波长光信号进行不同程度的吸收，使激光雷达测量到了两种波长信号的衰减差，然后，通过对数据进行分析，便能够得出被测对象的浓度及分布，完成测量目的。

3.气象要素的监测。

针对气象因素探测也是激光雷达广泛应用中的一大领域，且不仅能对平流层的气象参数进行探测，并能对对流层内的温、湿、风、压等基本参数进行探测，以及对能见度及低云等参数的探测。针对云的探测主要为测云厚、云底高及云的层次，而测量精度控制在10米之内即可。对风的探测主要为风向、风速，一般水平风向的精度应小于5度，而水平风速的精度应小于1m/s。而在进行气压测量与温度轮廓线时通常会采用差分吸收激光雷达进行探测。激光雷达还可以对大气溶胶、晴空湍流及雷暴强度进行探测，并为气象研究与应用提供真实有效的资料。

4.路面状况的监测。

如果需要对重要交通路段或是高速公路进行监测工作，可以在工作过程中采用小型或微型的激光雷达。其主要是对路面的凹凸程度进行测量，如果路面存在积雪、冰层或雨水等，也同样可以对其进行监测工作。通过使用激光雷达进行监测工作，不仅使公路交通得到科学有效的管理，同时也保证了交通安全，并能够及时的应对突发事故，减少事故造成的损失。

三、环境监测激光雷达的发展趋势

自20世纪开始发展以来，环境监测激光雷达已得到了广泛的认可及应用，并随着其应用领域的扩大也在不断地创新与发展。

1.体制创新。

伴随新工艺、新技术的不断出现，环境监测激光雷达的体制也在不断进行创新，并结合应用环境的不同，目的的不同而采用不同的体制。例如对路面的检测可以选择成象激光雷达，对云的探测可选择动目标指示激光雷达。

2.载体增多。

结合实际监测环境的需要，对激光雷达选择不同的载体。除机载与星载外，还可以把留系气艇、气球作为空中载体；车载是用的最多的陆上载体，但也可以把激光雷达设置在一定高度，例如铁塔、屋顶等建筑物，使激光雷达的监测区域更大。endprint

3.功能求全。

在环境检测激光雷达的发展过程中，对功能的不断求全是其发展中的显著特点。其分别表现为两方面，一是拓宽频段，增加功能。例如1998年由日本环境厅国立公害研制所研发的NIES臭氧激光雷达，其内部分为两个系统，并且两个系统中的光源可以发射出三种不同波长的光。所以，在进行平流层或对流层的探测工作时，为确保其置信度及测量精度，应采用不同波段进行探测。另一方面是多功能一体化。结合实际应用情况，可以将其与其他的传感装置集成一体。例如正在发展中的美国空军所设计的机载多功能光电系统（MISSIONS），该系统就是将目标识别、目标指控、目标捕控、威胁警告、红外定向干扰等功能集成于一体的光电集成系统。

4.技术提高。

在环境监测雷达的发展过程中，不仅要考虑到减小体积，减轻质量，激光与操作人员眼睛的安全方面等问题，还应降低成本、提高激光雷达的输出功率，从而使辐射源为二极管激光器与二极管泵浦的固体激光器做成的激光雷达能够得到迅速发展，并成为激光雷达发展与研究过程中的热点。

而随着环境监测激光雷达的发展，其数字处理技术也在不断提高，从而使其自动化处理监测数据，并自动建立各种数据库与数据模型，对所监测的数组可以对其进行修正，以使数据的可靠性及利用率得到有效提高。

四、总结

作为一种重要的环境检测手段，激光雷达具有探測灵敏度高、时空分辨率高及抗干扰能力强等优点，所以，通过记过雷达来进行对大气的监测、数据收集、数据分析，并以数据为基础建立预测大气环境的理论模型，同时也为环境治理及气候变化等研究问题提供了新的途径与科学依据。并且，激光雷达具有实施成本低、体积小、效果好的优点，所以方便推广及使用多种载具作为载体。当前一些国家已经成功制作出星载、机载和车载激光雷达系统，相信未来激光雷达在环境监测中的应用会更为广泛。

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