沈陽(yáng)綠恒環(huán)境咨詢有限公司 魏驥

隨著我國(guó)政府對(duì)生態(tài)環(huán)境重視程度的加強(qiáng),我國(guó)大多數(shù)地區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量也已得到了明顯的改善,細(xì)微顆粒（PM2.5）在空氣中的含量也呈現(xiàn)出衰減的趨勢(shì)。根據(jù)我國(guó)相關(guān)部門(mén)發(fā)布的報(bào)告分析,直至2021年年底,我國(guó)城市的細(xì)微顆粒年均含量已衰減至每立方米三十六微克，但是從局部情況看來(lái),我國(guó)僅有半數(shù)的城市的空氣質(zhì)量達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)[1]。我國(guó)東北地區(qū)的多數(shù)城市細(xì)微顆粒物污染情況仍然非常嚴(yán)峻。由此得知,在今后一定時(shí)期內(nèi)空氣細(xì)微顆粒的防治仍是我國(guó)大氣污染防治的重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，可以對(duì)空氣中的細(xì)微顆粒含量進(jìn)行較為準(zhǔn)確的探測(cè)，但是傳統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備在對(duì)高空中的細(xì)微顆粒含量進(jìn)行探測(cè)時(shí)便存在明顯的不足。因此將新型技術(shù)應(yīng)用到高空細(xì)微顆粒檢測(cè)過(guò)程當(dāng)中非常重要，而激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展在一定程度上解決了此類問(wèn)題，激光雷達(dá)技術(shù)可以很好地對(duì)高空空氣含量進(jìn)行精確的監(jiān)測(cè)，因此激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到了大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[2]。氣溶膠激光雷達(dá)可通過(guò)垂直掃描獲取近地面至對(duì)流層的氣溶膠消光垂直廓線,并根據(jù)接收到的信號(hào)信息進(jìn)行反演,以此確定當(dāng)?shù)氐拇髿猸h(huán)境質(zhì)量以及空氣中各種粒子的含量,并對(duì)這些粒子進(jìn)行相關(guān)的分析,從而為我國(guó)大氣環(huán)境治理提供相應(yīng)的幫助[3]。

一、激光雷達(dá)技術(shù)概況

（一）激光雷達(dá)組成原理

激光雷達(dá)，是近代激光技術(shù)得到快速發(fā)展后的產(chǎn)物,將先進(jìn)的激光技術(shù)與當(dāng)前的雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合,從而可以把二個(gè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)完美的融合到了一起,并以此提升雷達(dá)技術(shù)的準(zhǔn)確度[4]。激光雷達(dá)在完成距離和位移檢測(cè)任務(wù)時(shí),主要利用的原理是由激光的波形反射速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的,通過(guò)激光波形的反射速度和位移來(lái)對(duì)目標(biāo)物體的位移速度和距離做出識(shí)別。但現(xiàn)階段,激光雷達(dá)技術(shù)在測(cè)量領(lǐng)域具有非常大的優(yōu)勢(shì)。

（二）激光雷達(dá)的基本特征

激光雷達(dá)系統(tǒng)主要的工作波段為紅外線和可見(jiàn)光。激光雷達(dá)利用激光器可以很好地實(shí)現(xiàn)脈沖的光電轉(zhuǎn)換,并在最后將其轉(zhuǎn)換為電脈沖波,光電脈沖波的轉(zhuǎn)換是激光雷達(dá)最大的優(yōu)點(diǎn)。在經(jīng)過(guò)此過(guò)程之后,激光雷達(dá)的測(cè)量精確度會(huì)得到顯著的提高。我們根據(jù)激光雷達(dá)的工作過(guò)程可以發(fā)現(xiàn),激光雷達(dá)是基于傳統(tǒng)雷達(dá)之上的一種新型的雷達(dá)技術(shù),并且其相對(duì)于傳統(tǒng)的雷達(dá)而言,具有更高的精確度[5]。相較于傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù),激光雷達(dá)在進(jìn)行測(cè)量時(shí)可以更好地反應(yīng)目標(biāo)的距離、位置與角度,這些信息的準(zhǔn)確性對(duì)于最終的測(cè)量結(jié)果有著非常大影響,因此激光雷達(dá)技術(shù)擁有著更高的準(zhǔn)確性。近些年,隨著相關(guān)科研人員對(duì)激光雷達(dá)研究的不斷深入,激光雷達(dá)的種類也越來(lái)越多,激光雷達(dá)的多樣性也使得激光雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。

（三）激光雷達(dá)的類型

激光雷達(dá)，可以根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域的不同以及其組成結(jié)構(gòu)的不同分為多種類型。根據(jù)雷達(dá)發(fā)射器所使用的發(fā)射物質(zhì)類型可以將其分為氣體、半導(dǎo)體、固體激光雷達(dá)[6]。較為常見(jiàn)的氣體激光雷達(dá)為二氧化碳激光雷達(dá),這種雷達(dá)的發(fā)射原料較為常見(jiàn),并且其發(fā)射的波段為紅外線波段,與此同時(shí)二氧化碳激光雷達(dá)的探測(cè)間距較遠(yuǎn)，非常適合將其運(yùn)用到大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)當(dāng)中。半導(dǎo)體激光雷達(dá)一般會(huì)運(yùn)用到云層的監(jiān)測(cè)當(dāng)中,因此多數(shù)的半導(dǎo)體激光雷達(dá)的尺寸都比較小,并且其價(jià)格也非常的實(shí)惠,氣溶膠激光雷達(dá)則是半導(dǎo)體激光雷達(dá)中的一種,氣溶膠激光雷達(dá)可以對(duì)特定區(qū)域內(nèi)的空氣含量已經(jīng)空氣中的氣溶膠信息進(jìn)行分析,從而推測(cè)當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量。固體激光雷達(dá)主要應(yīng)用在大氣污染物監(jiān)測(cè)和風(fēng)速、溫度、濕度等監(jiān)測(cè)當(dāng)中。

二、激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展

（一）激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展

激光雷達(dá)技術(shù)是在20世紀(jì)60年代才出現(xiàn)的,因此激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展歷程只有六十年的時(shí)間,在這六十年間,激光雷達(dá)技術(shù)由出現(xiàn)到現(xiàn)在的取得較高的成就,可在多個(gè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用,其整個(gè)發(fā)展歷程是非常艱難的。第一臺(tái)激光雷達(dá)是由美國(guó)的一家公司研制的,具體用于靶場(chǎng)測(cè)試,緊接著比較著名的是用于人造衛(wèi)星的測(cè)距機(jī),隨后又將目光放到新型的激光雷達(dá)研發(fā)當(dāng)中。在此期間,該公司不僅在進(jìn)行二氧化碳激光雷達(dá)的研發(fā),還對(duì)單脈沖激光雷達(dá)的制作理論進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)踐。在激光雷達(dá)出現(xiàn)至今的六十多年時(shí)間內(nèi),激光雷達(dá)的類型越來(lái)越多,同時(shí)可以應(yīng)用的領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛,但是直到1994年LITE的出現(xiàn),激光雷達(dá)才開(kāi)始應(yīng)用到大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域上。

目前已知的經(jīng)常用于大氣監(jiān)測(cè)的雷達(dá)分為固定式激光雷達(dá)和可移動(dòng)式激光雷達(dá)。在我國(guó)可移動(dòng)式激光雷達(dá)，多數(shù)是由特定車(chē)輛進(jìn)行裝載從而達(dá)到雷達(dá)可移動(dòng)的目的。而在一些發(fā)達(dá)國(guó)家中,固定式激光雷達(dá)已經(jīng)逐漸被淘汰，這些國(guó)家已全面采用可移動(dòng)式激光雷達(dá)來(lái)進(jìn)行大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。截止到今天為止,我國(guó)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)方面對(duì)激光雷達(dá)技術(shù)的研究也有三十年之久,在這三十年的時(shí)間內(nèi),我國(guó)的激光雷達(dá)技術(shù)也同樣取得了非常大的進(jìn)展。我國(guó)中科院在該方面的研究成果尤其突出,多數(shù)的研究結(jié)果都得到了國(guó)際各國(guó)研究人員的認(rèn)可,并且中科院也成功研制出了我國(guó)第一臺(tái)激光雷達(dá)。隨后中科院又研制出多個(gè)領(lǐng)域的激光雷達(dá),其中UV-DIAL差分激光雷達(dá)是我國(guó)的第一臺(tái)用于觀測(cè)平流大氣層與臭氧層的系統(tǒng)。

（二）大氣環(huán)境激光雷達(dá)的發(fā)展

在1991年我國(guó)中科院的安徽光機(jī)所成功建造了L625激光雷達(dá)系統(tǒng),該系統(tǒng)是我國(guó)最大的可以觀測(cè)大氣氣溶膠以及臭氧分布的激光雷達(dá)系統(tǒng)。此系統(tǒng)的出現(xiàn)為我國(guó)的激光雷達(dá)系統(tǒng)的研究提供了更多的可能,同時(shí)L625激光雷達(dá)系列也獲得了國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的青睞,并將其運(yùn)用于越來(lái)越廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。不久以后,該研究院又成功建立了L三百型可移動(dòng)式激光雷達(dá)系統(tǒng),這也是中國(guó)首個(gè)具有在對(duì)流層進(jìn)行氣溶膠系數(shù)、云、大氣辨識(shí)度研究能力的散輻激光雷達(dá)體系。YAG激光雷達(dá)等等新的研究成果,對(duì)中國(guó)的大氣環(huán)境激光雷達(dá)的監(jiān)測(cè)研究邁出了一大步,并立足于國(guó)際領(lǐng)域中,已得到了世界高度的關(guān)注。

三、氣溶膠激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

在對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析的過(guò)程中,氣溶膠激光雷達(dá)具有其他激光雷達(dá)所不能比擬的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)我國(guó)當(dāng)前的研究形式,氣溶膠激光雷達(dá)不僅可以對(duì)氣溶膠邊界和分布進(jìn)行測(cè)量研究,還可以對(duì)溫度、大氣可見(jiàn)度等進(jìn)行相關(guān)的測(cè)量與研究。

（一）探測(cè)氣溶膠以及邊界層

氣溶膠可以對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行很好地吸收與反彈,這會(huì)對(duì)全球的氣候造成非常大的影響。氣溶膠邊界層主要是指大氣層的邊界。當(dāng)前我國(guó)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)工作已能實(shí)現(xiàn)氣溶膠和邊界層的監(jiān)測(cè)與分析,從而完成對(duì)全球氣候變化的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。從激光雷達(dá)的運(yùn)行原理表明,激光雷達(dá)在進(jìn)行工作時(shí)會(huì)發(fā)射相應(yīng)的激光信號(hào),而這些激光信號(hào)在觸碰到邊界層的物質(zhì)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生反射,而接收器在接收到這些反射信號(hào)之后就會(huì)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的分析,根據(jù)分析結(jié)果便可以對(duì)空氣中的微觀粒子的擴(kuò)散信息以及傳輸模式進(jìn)行預(yù)測(cè),從而對(duì)特定區(qū)域的大氣環(huán)境質(zhì)量作出判斷。近些年,世界各國(guó)都出現(xiàn)了嚴(yán)重的大氣環(huán)境問(wèn)題,頻繁的大氣環(huán)境問(wèn)題使得各國(guó)的研究人員不得不加強(qiáng)對(duì)大氣環(huán)境的監(jiān)測(cè),這也讓激光雷達(dá)在大氣環(huán)境中的應(yīng)用越來(lái)越深入,在具體的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中,氣溶膠激光雷達(dá)可以對(duì)大氣中的氣溶膠、黃沙、霧霾等內(nèi)容進(jìn)行非常準(zhǔn)確的測(cè)量,這些測(cè)量信息，對(duì)預(yù)防大氣災(zāi)害有著非常重要的作用。在我國(guó)的一些地區(qū),相關(guān)大氣監(jiān)測(cè)部門(mén)就該情況已經(jīng)建立了較為完善的雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)當(dāng)?shù)氐臍馊苣z以及邊界層進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),有效地提高了我國(guó)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的效果。

（二）探測(cè)溫度

溫度作為大氣質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo),對(duì)其進(jìn)行探測(cè)對(duì)于我國(guó)大氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)與氣象災(zāi)害的預(yù)測(cè)有著非常重要的作用。因此當(dāng)前世界各地對(duì)于大氣溫度的探測(cè)都非常重視,而溫度情況也已經(jīng)成為了氣象預(yù)告中不可缺少的環(huán)節(jié)。在對(duì)溫度進(jìn)行探測(cè)時(shí),氣溶膠激光雷達(dá)的應(yīng)用，為我國(guó)的溫度探測(cè)功能提供了非常大的便利性,并且氣溶膠激光雷達(dá)的應(yīng)用還顯著地提高了我國(guó)大氣溫度探測(cè)的準(zhǔn)確性。在利用氣溶膠激光雷達(dá)進(jìn)行溫度探測(cè)時(shí),瑞利散射是最為常見(jiàn)的溫度探測(cè)方式。瑞利散射,氣溶膠激光雷達(dá)通過(guò)利用全反射鏡講激光筆直的射入空氣當(dāng)中,通過(guò)空氣中氣溶膠的變化情況來(lái)對(duì)空氣溫度進(jìn)行測(cè)量。但是瑞利散射在低空中的測(cè)量精確度還有待提升,因?yàn)榈涂罩锌諝庵兴N(yùn)含的氣溶膠含量較高,而較高的氣溶膠含量會(huì)在一定程度上影響到大氣溫度的探測(cè)。

（三）探測(cè)大氣可見(jiàn)度

大氣能見(jiàn)度探測(cè)，也是氣溶膠激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的主要功能之一。在具體的探測(cè)過(guò)程中,氣溶膠激光雷達(dá)有著非常顯著的優(yōu)勢(shì)。激光雷達(dá)作為近年來(lái)才出現(xiàn)的大氣探測(cè)手段,其利用激光的反射與雷達(dá)的捕捉能力可以更好地將大氣具體環(huán)境進(jìn)行有效的分析,從而根據(jù)分析結(jié)果來(lái)對(duì)大氣可見(jiàn)度進(jìn)行準(zhǔn)確的判定。較為精準(zhǔn)的大氣可見(jiàn)度分析對(duì)于人們?nèi)粘５某鲂惺欠浅Ｓ欣?。大氣可?jiàn)度是大氣透明度的反應(yīng),因此大氣可見(jiàn)度會(huì)在一定程度受到天氣情況的影響,而傳統(tǒng)的大氣可見(jiàn)度探測(cè)方式也會(huì)在一定程度上受到天氣的影響。因此在對(duì)大氣可見(jiàn)度進(jìn)行探測(cè)時(shí),利用激光雷達(dá)技術(shù)，可以極大地降低天氣變化對(duì)探測(cè)精確度產(chǎn)生的影響,從而可有效地提高探測(cè)精度。

（四）探測(cè)風(fēng)廓線

相關(guān)工作人員在進(jìn)行與風(fēng)相關(guān)的探測(cè)時(shí),主要探測(cè)的內(nèi)容是風(fēng)速以及風(fēng)向,但是在對(duì)風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行相關(guān)探測(cè)時(shí),并不能取得較為明顯的成果。而在將激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用到該領(lǐng)域之后,在對(duì)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)力進(jìn)行相關(guān)探測(cè)時(shí)便可以進(jìn)行更加全面且嚴(yán)密的研究。傳統(tǒng)的風(fēng)向、風(fēng)速探測(cè)工作極易受到空氣湍流的影響,如若探測(cè)地區(qū)出現(xiàn)空氣湍流,風(fēng)速、風(fēng)向的探測(cè)結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的偏差,這不僅會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦娜粘３鲂挟a(chǎn)生影響,還會(huì)在一定程度上影響到當(dāng)?shù)馗鞣N工作的開(kāi)展與進(jìn)行,進(jìn)而影響到我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。將全新的氣溶膠激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)廓線探測(cè)過(guò)程當(dāng)中,就會(huì)在很大程度上解決此問(wèn)題,同時(shí)在最大程度上減少空氣湍流產(chǎn)生的影響,從而得出更加準(zhǔn)確的風(fēng)速、風(fēng)向探測(cè)結(jié)果。在具體的探測(cè)過(guò)程當(dāng)中,不同天氣情況產(chǎn)生的空氣湍流會(huì)對(duì)雷達(dá)波的頻率產(chǎn)生不同的影響,受到風(fēng)速、風(fēng)力等因素的影響,風(fēng)廓線也會(huì)產(chǎn)生一定的變化。此時(shí)就需要利用激光雷達(dá)的特性來(lái)避免這些因素的影響。在遇到空氣湍流時(shí),激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)不同高度的空氣湍流測(cè)量,相關(guān)部門(mén)可以通過(guò)對(duì)這些不同的測(cè)量信息進(jìn)行分析,從而得出更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。在我國(guó)的北方地區(qū),由于天氣環(huán)境變化較為復(fù)雜,傳統(tǒng)的大氣測(cè)量模式無(wú)法對(duì)當(dāng)?shù)氐拇髿馇闆r進(jìn)行較為準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)測(cè)量,而利用激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)廓線進(jìn)行探測(cè)之后便可以有效地對(duì)當(dāng)?shù)氐奶鞖庾兓闆r進(jìn)行預(yù)測(cè)?？筛鶕?jù)不同的天氣采取不同的措施,從而有效地提高大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的質(zhì)量與實(shí)效性。

四、激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施

（一）激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中存在的問(wèn)題

激光雷達(dá)技術(shù)作為近些年，出現(xiàn)的新型大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù),其本質(zhì)上還屬于一種遙感工具,但與傳統(tǒng)的遙感工具不同的是,激光雷達(dá)在探測(cè)跨度、空間辨識(shí)度已經(jīng)測(cè)量精度方面都有著屬于其自身的優(yōu)勢(shì)這些優(yōu)勢(shì)讓激光雷達(dá)技術(shù)得以在不同的領(lǐng)域中都發(fā)揮著非常大的作用。但是在將激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用到具體的監(jiān)測(cè)工作中后我們得知,激光雷達(dá)技術(shù)也還存在著一定的問(wèn)題。最主要的問(wèn)題是無(wú)論是哪種類型的激光雷達(dá),在進(jìn)行大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)都需要發(fā)射激光,而激光在傳播的過(guò)程中會(huì)受到不同因素的影響,因此激光雷達(dá)的探測(cè)精確度并無(wú)法達(dá)到理論精度。另外,如果探測(cè)地區(qū)出現(xiàn)較為極端的天氣情況之后,激光雷達(dá)在進(jìn)行實(shí)地作業(yè)時(shí)的難度也會(huì)有所增加,這也在一定程度上限制了激光雷達(dá)技術(shù)在大氣環(huán)境測(cè)量過(guò)程中的應(yīng)用。

（二）激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用改進(jìn)

針對(duì)激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中存在的問(wèn)題,我們需要從三個(gè)方面入手來(lái)對(duì)其進(jìn)行具體的應(yīng)用改進(jìn)。一是需要對(duì)激光雷達(dá)的各項(xiàng)組成部分進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)創(chuàng)新,對(duì)激光雷達(dá)進(jìn)行更加全面的升級(jí),并以此提高激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍。二是對(duì)激光雷達(dá)的各項(xiàng)功能進(jìn)行更加有效的開(kāi)發(fā),提高激光雷達(dá)的各項(xiàng)探測(cè)能力,加強(qiáng)其對(duì)不同工作環(huán)境的適應(yīng)能力。三是建設(shè)更大面積的激光雷達(dá)網(wǎng)絡(luò),其降低單個(gè)激光雷達(dá)的探測(cè)范圍,提高激光雷達(dá)的探測(cè)精度,從而滿足不同的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)要求。

五、總結(jié)

自激光雷達(dá)技術(shù)出現(xiàn)以來(lái),其在大氣環(huán)境監(jiān)領(lǐng)域發(fā)揮的作用越來(lái)越大,雖然現(xiàn)階段的激光雷達(dá)技術(shù)，已經(jīng)可以基本滿足不同的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)要求。但隨著各國(guó)對(duì)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)要求的不斷提高,激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)也需要進(jìn)行相應(yīng)的創(chuàng)新升級(jí)，來(lái)進(jìn)一步提高大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的精確度以及適應(yīng)性。在確保大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)精確度的同時(shí)，也要提高激光雷達(dá)的使用效率以及氣象預(yù)測(cè)能力,以便為大氣污染防治提供更加準(zhǔn)確的科技支撐。