浅谈激光雷达技术在大气环境监测中的应用

摘要：本文将从当前大气环境监测的概况出发，阐述激光雷达技术的价值和作用，对大气环境监测运用激光雷达技术的主要途径进行分析与探究，希望为相关人员提供一些帮助和建议，更好地开展大气环境监测工作。

关键词：环境监测;大气环境;激光雷达

引言：激光雷达技术属于一种新兴的监测技术，监测人员使用激光雷达的设备能够对大气能见度、密度以及气溶胶等方面展开全方位、多角度的监测，具有可靠性、分辨率高的特点，有效反映出当地大气质量状况，为环境质量改善提供参考和借鉴。从这个角度来看，应积极研究大气环境监测运用激光雷达技术的途径。

一、当前大气环境监测的概况

随着国内经济发展速度的加快和人民群众综合生活水平的提升，人们有了更高的环境要求。然而，大量的人类活动不可避免地产生了各类城市环境污染现象，降低了大气能见度，危害着人民群众的身体健康，并在一定程度上增加了社会的不安定因素，带来了较大的负面影响。空气环境检测是环境监测工作不可缺少的一部分，借助全面的数据分析、数据监测，工作人员能够对空气环境的情况有一个准确的把握，将全面的数据支持提供给环境质量的改善工作。当前的大气环境监测工作通常借助自动监测仪器来分析大气的气态污染物、颗粒物含量，而立体性的大气监测相对较少。

二、大气环境监测运用激光雷达技术的主要途径

（一）监测动力学参数

根据激光雷达技术，大气环境的动力学参数主要有湍流、重力波、风、温度等。在地面高度100千米的高度，大气的金属蒸汽较为丰富，将金属原子当成反馈物质来研究大气动力学能夠大大提升大气环境监测工作的效率。监测高层大气的重力波、风、温度时，监测人员应积极运用荧光共振激光雷达设备，借助该设备对金属原子进行探测，比如Na荧光共振雷达、Li荧光共振雷达等。探测大气温度时，监测人员应运用激光雷达技术中的瑞利散射技术，该技术能够对大气瑞利散射进行监测，通过气体状态方程对大气环境温度进行反演，通常可监测高度为30千米至80千米。借助部分气体分子的拉曼散射函数，测量并得出其拉曼散射强度，同时获取大气环境具体温度。

受观察者运动、波源运动所影响，大气环境监测工作容易遇到波源频率、观测频率不一致的问题，该现象又叫作多普勒效应，基于此效应原理的激光雷达叫作多普勒激光雷达设备。由于多普勒的移动方向、频移大小会受到激光束方向、大气分子运动方向二者的夹角所影响，因此监测人员能够借助散射光的监测工作获得多普勒移动量，进而计算出大气风速。除此之外，监测人员在监测风速时能够分析风速分量、计算能谱密度。

（二）监测大气组分

大气分子和激光间的彼此作用会产生Raman散射（以下简称R散射），R散射最主要的特征便是入射光、散射光二者波长不一致，形成短波方向、长波方向一定程度的移动，并且散射分子类型、波长移动距离间存在直接关系。R散射的波长移动能够对应散射分子能量差，且这种分子差是固有的分子特点。由此不难得出，通过散射波长移动的距离便能将散射分子类型确定下来，从而使用R散射来监测大气组分。

R散射激光雷达设备能够对高浓度大气组分进行探测，但低浓度大气组分也是大气环境监测工作的重要监测内容。根据大气、激光的作用机制，其吸收的截面作用范围相对较大。由于吸收属于共振的反映过程，能够对大气组分加以分辨，因此监测人员能够借助吸收机制开展大气环境监测工作，对应的设备为吸收激光雷达设备。借助该设备，监测人员能够对大气里的二氧化硫、氮氧化物、臭氧、水汽等低浓度大气组分进行监测，从而达到监测微量组分的目的。此种雷达能够对双波长激光进行发射，激光的两个波长极为接近，二者分别处在分子强吸收线、弱吸收线上。正因二者接近，监测人员能够认定气溶胶会对二者产生同样的消光与散射，这样一来，只需获得大气分子吸收参数便能根据其后向散射信号回波对大气分子浓度进行探测。伴随该技术的不断发展，逐渐演变出R散射吸收技术与红外波段差分技术等多个分支。

（三）监测气溶胶

气溶胶指的是大气中分布的、由固体微粒或液体组成的、稳定性较高的悬浮体系。一般来说，大气中的气溶胶含量较低，但其对环境的影响却极大。气溶胶粒子在大气中能够对太阳辐射进行散射与吸收，使地气系统内在的辐射稳定性受到干扰，出现直接气候效应，具体影响程度由气溶胶粒子形状、分布、化学成分等方面决定。

运用激光雷达技术开展气溶胶监测工作的过程中，需要采用Mie散射激光雷达设备。根据Mie散射的原理，离子散射尺寸接近于入射激光的实际波长，有时可能会大于入射激光的实际波长，入射光、散射光二者的波长基本一致。比起其它种类的光散射，Mie散射具有更大的散射截面，这使得其激光雷达设备能够产生更强的回波信号，在激光脉冲向大气方向射入后，大气里的云粒子、气溶胶粒子会将发射路径消光、散射，而后向散射光的高度和当前高度气溶胶粒子基本特性存在直接关系，后向散射光能够被激光雷达准确探测，监测人员借助Mie散射公式算法变能对气溶胶粒子消光参数进行反演。西方发达国家的激光雷达技术运用相对较早，其Mie散射激光雷达监测气溶胶的各方面研究也更为深入，部分学者曾对比大涡模拟、Mie散射监测，部分学者则将Mie散射监测获取的大气参数当成传输辐射模式，构建了全面的大气环境监测模型，得出气溶胶含量过多会使大气产生其后强迫效应，容易加剧全球气候变化。

结语：总而言之，研究大气环境监测运用激光雷达技术的主要途径具有重要的意义。相关人员应对当前大气环境监测的概况有一个全面了解，充分把握激光雷达技术的价值和作用，能够将激光雷达技术运用于监测动力学参数、大气组分以及气溶胶等大气环境监测工作中，从而提高大气环境监测工作的质量和效率。

参考文献：

[1]董佳丹，陈晓玲，蔡晓斌，等.基于中国大气环境监测站点的2015—2019年大气质量状况时空变化分析[J].地球信息科学学报，2020，22（10）：1983-1995.

[2]祝叶华.为国家生态文明建设贡献气象智慧——访国家卫星气象中心卫星气象研究所所长张兴赢[J].科技导报，2020，38（19）：29-30.

作者简介：孙亢;1990年 9月;男;汉族;陕西省安康市白河县;本科;助理工程师;环境监测、环境工程。