激光雷達環境科學領域的應用

激光束與大氣物質相互作用機制是進行大氣激光雷達探測的關鍵。不同的激光與大氣相互作用機制對應于不同種類的大氣探測激光雷達。激光與大氣相互作用機制有： 

米氏散射(Mie Scattering) 

激光與大氣中各種固態或液態的氣溶膠粒子（塵埃、煙霧、云層等）的相互作用主要表現為散射，稱為米氏散射。米氏散射的特點是散射粒子的尺寸與入射光波長相近或比入射光波長大。米氏散射的散射光波長和入射光相同，散射過程中沒有光能量交換，稱為彈性散射。由于米氏散射的散射截面很高，米氏散射大氣探測激光雷達的回波信號通常都很強。 

瑞利散射(Rayleigh Scattering)

瑞利散射是指激光與大氣中的各種原子分子相互作用而被散射的過程，其特征是散射粒子的尺寸比入射光的波長小。瑞利散射也是一種彈性散射過程，即散射波長和入射波長相等。瑞利散射的角向分布比米氏散射的角向分布要對稱一些，其前向散射和后向散射相等，而向兩側的散射很小。瑞利散射的截面比米氏散射小，且與入射光波長的四次方成反比。因此，利用波長較短的紫色或紫外激光束激發瑞利散射可獲得較強的激光雷達回波信號。

拉曼散射(Raman Scattering) 

拉曼散射是激光與大氣中各種分子之間的一種非彈性相互作用過程，其最大特點是散射光的波長和入射光不同，產生了向短波或長波方向的移動，且散射光波長移動的幅度與散射分子的種類密切相關。拉曼散射波長的移動幅度與散射分子能級的能量差是一一對應的，而分子能級的能量差是不同種類分子的內部固有特征。因此，從散射波長相對于入射波長的移動量就可以確定參與散射的分子種類。這樣利用拉曼散射就可實現辨認大氣組分的探測。

吸收(Absorption) 

吸收是指當入射激光的波長被調整到與原子、分子的基態與某個激發態之間的能量差相等時，該原子分子對入射激光產生明顯吸收的現象。參與吸收過程的原子分子數目越多，激光束能量的損失越大。吸收過程并不注重原子分子對光的散射和發射，而只強調由原子分子吸收所導致的入射激光束能量的減少。原子分子對某些波長入射光的選擇性吸收是由原子分子內部能級的固有特性決定的，因此吸收過程也可用來進行大氣組分的探測。

共振熒光(Resonance Fluorescence) 

原子分子在吸收入射光后再發射的光稱為熒光。當改變入射激光的波長，使其光子能量正好和原子能級間的能量差相等時，該原子將吸收此入射光子的能量而從基態躍遷到激發態。由于原子在激發態的壽命通常很短（約10-8秒），處于激發態的原子會很快的自發躍遷回到原來的能級，并向外發射一個熒光光子，這就是共振熒光過程。在共振熒光過程中，發射的熒光波長與入射光波長相等。由于共振熒光截面比瑞利散射截面大得多，可以利用某些特定的激光波長下原子或分子發生共振熒光增強的現象來實現對大氣組分的辨認性探測。

1大氣監測激光雷達   

激光雷達通過測量大氣中自然出現的少量顆粒的后向散射，可以檢測風速、探測紊流、實時測量風場等。由于返回的后向散射輻射很微弱，因而大氣監測激光雷達需要使用靈敏的接收器。目前的飛機陣風緩和系統以安裝在機身上的加速度計為基礎，效能有限。有效的系統要求在飛機與紊流相遇前測量紊流。激光雷達探測紊流陣風的能力，可以為未來的軍用和民用飛機提供更好的陣風緩和系統。美國航天局的“先進的飛行中測量用機載相干激光雷達”，正在探索這個概念。

    飛機后微爆風切變和尾流，給與其相遇的飛機造成危險。英國國防鑒定與研究局（DARA）的研究人員研制的激光雷達，能測量在飛機后微爆風切變和尾流速度。將這種激光雷達置于跑道上進行實時監測，就可以提高安全性，增加飛機的通過量。

2雙波長高空探測激光雷達

在30~110公里范圍中高層大氣和低電離層是“日-地”關系鏈中的重要環節，太陽活動對中高層大氣和低電離層中的許多物理、化學和動力學過程，以及與其相鄰的上下層次之間的相互作用過程都有重要影響。而這方面的探測技術發展一直較為薄弱。對原位探測而言，這一層段對氣球探空顯得太高，對衛星探測又顯得太低；對遙感探測而言，這一層段對地面的無線電遙感大多屬于盲區，而衛星從上向下的被動光學遙感又存在分辨率和精確度方面的缺點。用于探測太陽劇烈活動與空間災害天氣的“探測激光雷達” 的出現恰恰提供了一種較為有效的解決方案。它可以實現對30~110公里中高層大氣和低電離層段的同時、連通性探測具有很高學術價值和應用前景。

3多普勒測風激光雷達

測風激光雷達通過測量大氣中自然出現的氣溶膠顆粒或分子運動（風速引起）產生的具有多普勒頻移的后向散射信號，利用對回波信號頻率進行鑒頻或相干，測量出后向散射信號的多普勒頻移Δν，利用Δν與風速的關系就可反演得到徑向風速數值，通過掃描激光光束得到不同方向上徑向速度，矢量合成即可得到風速、風向，實現檢測風速、實時測量風廓線風場等。目前，激光雷達探測風速風向的主要技術有相干激光雷達技術及非相干技術。相干激光雷達主要適用于氣溶膠密度較大的對流層，探測范圍最大可達10 km左右，精度可達0.1m/s。而非相干激光雷達主要利用氣溶膠及大氣分子測速，屬于能量檢測，其適用范圍較廣，適合對流層到平流層的風廓線探測,測速精度可到1 m/s 以內。

多普勒測風激光雷達在風力發電，包括建站前的場地選擇以及風車前的風力預測等方面有極大地應用前景和市場潛力，可以在一定程度上提高風力發電設備的發電效率。