高层大气激光雷达探测

利用激光束在大气中的散射、吸收、频移和谱线增宽现象对高层大气进行遥感探测的方法

高层大气激光雷达探测是利用激光束在大气中的散射、吸收、频移和谱线增宽现象对高层大气进行遥感探测的一种方法。激光雷达设备主要由发射机、接收机和记时同步系统组成。但由于探测的对象和方法不同，所使用的激光波长不同，发射机和接收机的某些元件也各不相同。

基本介绍

利用激光束在大气中的散射、吸收、频移和谱线增宽现象对高层大气进行遥感探测的一种方法。激光雷达向大气发射激光脉冲，同时接收大气粒子（分子、原子、离子或气溶胶粒子等）对激光的后向散射光子，测定从发射出激光到接收到散射光的时间间隔，可以确定所探测的大气体积的位置；测出散射光的强度，可以得到所探测的大气密度；使用各种波长的激光和各种类型的散射，可以测量各种大气参量，如密度、成分、压力、温度、风和湍流等。

激光雷达设备主要由发射机、接收机和记时同步系统组成。但由于探测的对象和方法不同，所使用的激光波长不同，发射机和接收机的某些元件也各不相同。利用激光雷达探测的优点很多：①激光脉冲宽度窄，光束发散角小，使得探测的空间分辨率很高,可达1公里以下；②激光的功率大，测得远，可作较远距离的遥测；③可用较高的激光脉冲重复频率，即探测的时间分辨率高的特点，探测大气参量的瞬变过程，如极光过程等；④激光的单色性很强，在接收端用窄带滤光片滤掉杂散光可以提高信噪比，探测的灵敏度高；⑤激光探测可用的波长幅度很宽，从近紫外直到整个红外，可测量大气各种成分。另外，还可采用灵敏的单光子计数技术或外差接收技术以提高接收灵敏度。用激光雷达探测高层大气也有缺点，主要是太阳光的光背景噪声很大，白天探测较困难。

探测的方法有下列几种：

瑞利散射法　当激光波长远离大气粒子吸收线波长，但比粒子（例如大气分子）尺度大很多时，粒子对光的散射就是瑞利散射。由于被散射的光强度与在散射高度处的分子密度成比例，因此可利用它来测定大气密度随高度的分布。通过测量散射光强度的变化，还可得出大气湍流特性。通过对瑞利散射信号的频谱分析，可得到大气分子温度。此法在地面上无月光的夜晚,可测到100公里左右高空的大气参量。

米氏散射法　当激光波长远离大气粒子吸收线波长，但与粒子尺度相当时,粒子对光的散射就是米氏散射,如气溶胶粒子对激光的散射就是米氏散射。利用米氏散射可以测量气溶胶浓度和气溶胶粒子的大小和分布。通过测量米氏散射光的多普勒频移,并利用斯托克斯-爱因斯坦关系，也可得到气溶胶粒子大小和浓度分布。还可以从多普勒频移推算出气溶胶的整体运动，从而得出大气风速。

共振散射法和荧光散射法　当激光波长与大气成分的吸收线或吸收带相重合时,整个光子被该成分吸收,并经过10-8～10-1秒的时间延迟以后,再重新辐射出来的光子的频率与原激光相等时称共振散射，比原激光频率低时称荧光散射。由于不同大气成分的吸收线不同，因此利用这种散射可测量各种大气成分。

共振吸收法　当激光波长与大气成分的吸收线或吸收带相重合时，将发生强烈的吸收现象。若用一远距离接收器或反射器接收透过的激光，通过对吸收线上和吸收线外两种波长的激光的透射光强比，即可测得沿光路的该种大气成分的总含量。

多普勒频移测量法　散射体有宏观运动时产生散射光谱线的频移。频移值与径向运动速度成正比，与波长成反比。散射体的分子热运动引起谱线增宽。测量频移值可算得宏观运动速度，即风速；测量谱线增宽可算出大气温度。

喇曼散射法激光的特点之一是频带狭窄。因此,激光雷达的后向散射光谱中，严格地说具有与发射光相同的近于单一的频率。在实际接收到的后向散射光谱线的两边，还出现强度低得多的新谱线。而这些新谱线离开原激光谱线的距离与散射成分分子的振动能或旋转能的级差相对应。这种新的光谱的光称为喇曼散射光。这种散射与入射光的频率无关,只是发生了与分子的转动-振动结构相应的频移，因此它提供了一个与入射频率无关而又能鉴别出散射成分的方法，故可用来探测大气成分。

共振喇曼散射可作为一种改进喇曼后向散射效率的方法。即选择激光入射频率十分接近于散射成分分子的一个允许电子跃迁频率。这样，由于共振效应，可使散射截面提高几个量级。

对于线型分子，喇曼转动光谱包括振幅近似相等的两支光谱，频率对称地处于原激光谱线的两边，每支光谱包迹强度是温度的函数，因此测量这两支光谱的强度比，即可确定大气温度。

参考书目

E.D.Hinkley,Leser Monitoring of the Atmosphere,Springer-Verlag,Berlin,1976.

D.K.Killinger and A.Mooradiar,Optical and Laser Remote Sensing,Springer-Verlag,Berlin,1983.

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