激光雷達物理參數的反演及其應用

　　0前言 
　　激光雷達是一種主動遙感技術，是傳統雷達技術與現代激光技術相結合的產物。50多年來，激光雷達技術從最簡單的激光測距技術，逐步發展了激光跟蹤、測速、掃描成像、多普勒成像等技術，陸續開發出不同用途的激光雷達，使激光雷達成為一類具有多種功能的系統。激光雷達之所以受到關注，是因為其具有一系列獨特的優點：具有極高的角分辨率、具有極高的距離分辨率、速度分辨率高、測速范圍廣、能獲得目標的多種圖像、抗干擾能力強、比微波雷達的體積和重量小等。隨著技術的不斷成熟，成本的下降，其他領域陸續引進了激光雷達，并發揮著非常重要的作用。 
　　1激光雷達的結構和原理 
　　一般情況下，激光雷達主要由三部分組成，激光發射單元，信號探測控制單元和光學接受單元。激光發射單元發射出激光脈沖，在傳輸過程中遇到粒子會產生一個向后的反射信號，光學接受單元接受到這個信號并進行處理，把光信號放大轉化成電子信號輸出。根據反饋信號的強度可以確定所研究粒子的濃度，粒子所處的高度可以由從發射到接受之間的時間間隔來確定。 
　　激光雷達的方程為： 
　　P（Z）為激光雷達接收到的高度Z處的大氣后向散射回波信號的能量，E為激光雷達的發射能量，C是激光雷達常數，和發射頻率，接收靈敏度等有關；Z是到激光雷達到目標粒子的距離； 
　　βtotal是總的后向散射系數，βmol是空氣后向散射系數，βpart是氣溶膠后向散射系數； 
　　σtotal是總的消光系數，是激光脈沖在傳輸過程中衰減產生的， σsmol是空氣散射系數，σspart是氣溶膠散射系數，σAmol是空氣氣吸收系數，σApart是氣溶膠吸收系數。 
　　求解激光雷達方程常有的有三種方法：Collis斜率法，Klett[1]方法和Fermald[2]方法。Collis斜率法假設大氣是均勻分布，消光系數為常數。當在水平方向進行測量，可以忽略細小差異，認為大氣是均勻，應用此方法比較簡便。如果觀測垂直方向上的大氣垂直分布，大氣分布不均勻的現實并不能忽略，故不能采用此方法。這時通常采用Klett算法來求解，在此算法中，假設β=C0σkβ，其中C0為常數，k取決于雷達激光的波長和氣溶膠的性質，取值范圍一般在0.67～1。再結合激光雷達方程就可以得到結果。其中k的取值對計算的結果有很重要的影響。張文煜，王音淇等[3]結合能見度因子和CE318太陽光度計觀測數據，對k在不同天氣狀況下的取值進行了初步研究，結果表明：只有當0.7≤k≤1.0時，氣溶膠消光系數的大小與能見度估算出的值相接近。但在k=0.7時，計算出的氣溶膠消光系數正、負參半； k=1.0時，消光系數廓線在晴天無云的天氣狀況下同實際情況不符。通過進一步分析研究激光雷達和光度計的同期觀測資料發現：k=0.8時，較合理的數據所占比例為100%，k=0.98，比例為40%，k=1.0僅為12%。通過采用Klett方法可以克服均勻大氣的限制，使結果更符合實際。但當氣溶膠和大氣的消光作用相差不大，大氣的消光作用不能忽略時，就必須采用第三種Fermald方法。Fermald方法將大氣看做兩個部分：空氣分子和氣溶膠，認為大氣消光系數（或后向散射系數）是空氣分子的消光系數（或后向散射）與氣溶膠消光系數（或后向散射）的和，在實際的應用中，Klett和Fermald方法應用更廣泛。 
　　2激光雷達物理量的反演方法 
　　激光雷達接收到的是光電子信號，想要得到我們需要的物理量，賦予它合適的物理意義，就必須對接收到的信號進行分析處理，反演得到我們需要的結果。 
　　2.1消光系數（σ） 
　　Collis方法： 
　　其中S（Z）=ln[Z2P（Z）]， 
　　Klett方法： 
　　Zm為參考高度，為所觀測范圍的上界。σm=σ（Zm），Zm為這一薄層的消光系數 。 
　　Fernald方法：Zc為標定高度，一般是通過選取近乎不含氣溶膠的清潔大氣層所在的高度來確定。這一高度處的氣溶膠粒子和空氣分子消光系數都是確定的。Zc以下高度下的氣溶膠粒子消光系數為： 
　　Zc高度以上的氣溶膠粒子消光系數為： 
　　下標1，2分別代表氣溶膠與空氣分子。S=σ/β，X（z）=P（z）Z2。σ2（z）可以根據美國標準大氣模式提供的空氣分子密度的垂直廓線計算得到。這三種方法由簡到繁，隨著計算水平的提高，一般都選擇后面兩種方法。 
　　2.2能見度 
　　大氣能見度與消光系數的基本關系為：y=-lnε/σ。其中 為能見度距離，σ為大氣消光系數，ε為人眼的亮度對比感閾。通常情況下正常人眼的平均亮度對比感閾ε=0.02。帶入上式，即得能見度方程： =3.912/σ。 
　　2.3氣溶膠光學厚度 
　　將消光系數隨高度進行積分，就能夠得到氣溶膠的光學厚度（AOT）： 
　　2.4后向散射系數 
　　根據反演出的消光系數，由后向散射系數和消光系數的關系，可得 
　　β=C0σk 
　　2.5退偏振率 
　　激光雷達可以利用偏振原理可以分別接受到后向散射在高度z處的平行分量Prp和垂直分量Prs。Kp和Ks分別表示平行分量探測通道和垂直分量探測通道的系統常數。σp（z）和σs（z）分別表示高度z處大氣消光系數的平行和垂直分量。退偏振率δ（z）為： 　　粒子的退偏振率和粒子的濃度無關，只與形狀和成分有關。NIES型Mie散射激光雷達可以發射偏振激光束，偏振激光遇到純球形粒子發生散射時，只返回平行偏振組分，遇到不規則粒子時，垂直組分也能觀測到。退偏振率即為垂直組分與水平組分的比值。沙塵大部分為非球形粒子，退偏振率比較高，其他氣溶膠粒子更接近球形。通過氣溶膠的退偏振率可以就區分沙塵氣溶膠和大氣氣溶膠的分布和比例。 
　　3激光雷達的應用 
　　3.1激光雷達在氣溶膠觀測方面的應用 
　　激光雷達可以有效對大氣中氣溶膠的垂直分布，構成成分，光學特性等進行檢測分析。曹賢潔，張鐳等[4]利用激光雷達CE370-2與太陽光度計CE-318，在蘭州觀測分析了2007年3月27～29日揚沙過程氣溶膠輻射特性。發現沙塵氣溶膠主要集中于離地1.5km高度層內，沙塵氣溶膠消光系數隨高度先增加，到0.2km左右高度達到最大，然后急劇減小。沙塵氣溶膠光學厚度的時間演變呈雙峰型。通過與太陽光度計得到的結果相比較，結果很接近。表明了雷達觀測資料的處理方法可以較好的反演氣溶膠消光系數和光學厚度。大量的觀測研究都表明，激光雷達對氣溶膠的垂直分層結構可以進行非常有效的持續的觀測。 
　　3.2激光雷達在大氣邊界層方面的應用 
　　大氣邊界層是與人類關系最為密切的氣層。由于熱力作用導致的強烈的日變化是大氣邊界層的一個重要特征。邊界層高度隨地表特征、季節和天氣背景的不同而不同，每天可在幾十米至幾千米內變化。韓道文，張文清等[5]利用激光雷達檢測了北京城區冬季邊界層，發現大氣結構存在著多層結構，大體上可分為污染邊界層和對流層，測站上空的污染邊界層較為明顯，其高度相對穩定，約為0.5-1.4km。 
　　大氣邊界層作為距離人們最近的一個氣層，對人們的影響是最直接和敏感的。借助激光雷達，能細致的觀測到大氣的分層結構，而且通過連續觀測，可以準確掌握大氣邊界層的變化規律，為理論研究提供最可靠的依據。 
　　3.3其他方面的應用 
　　除了以上的應用，激光雷達還在溫度探測，風的探測，大氣成分，能見度等方面發揮著很大作用。目前利用激光雷達探測大氣溫度多數是利用瑞利散射，如美國通訊研究實驗室（CRL）的瑞利散射激光雷達系統 、加拿大Western Ontario大學的瑞利散射激光雷達系統等。隨著研究的深入，激光雷達的作用也會愈發的凸顯出來。 
　　4小結 
　　激光雷達技術集合了光電子學，大氣學，測繪遙感等多領域的最新成果，是一種非常先進的探測手段。由于成本等方面原因，在氣象領域的應用還不是非常的普及。激光雷達對氣象觀測有極大的促進作用，但不能否認其在探測方面也有一定的缺點。首先，激光雷達屬于高科技含量的產品，在制造設計中沒有統一的標準和反演的方法，數據的可比性和移植性比較差。其次，激光雷達只能實行定點的觀測，觀測的水平范圍較小，而且受天氣及氣象影響大，性能還有待進一步的提高。當然，隨著激光雷達精細化和定量化程度的提高，其發展的潛力還是非常巨大的。