激光雷达技术在气象中的应用

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1、激芜雷达祢夂激光雷达技术在气象中的应用摘要激光束与大气物质相互作用而产生回波信号是大气探测激光雷达进行大气探测的关键。激光雷达探测大气环境的工作原理是激光器发射的激光通过与大气中的气溶胶及各种大气成分的作用而产生后向散射信号。对探测器接收的携带着被测物质冇关的信息（吸收、散射等）进行分析处理便可得到所需的大气物理要索（如大气消光系数、速度、密度等）。木文主耍介绍了激光雷达在气象耍索即大气温度、大气湿度和风速中的应用。关键词：激光雷达气象要素温度风速口录一.弓丨言3二.激光雷达在大气温度检测中的应用42.1基于瑞利散射的大气温度检测研究42.1.1基丁•测量瑞利散射回波能量的方法4

2、2.1.2基于测量瑞利散射半高线宽的方法52.2基于拉曼散射的大气温度检测研究62.2.1基于转动拉曼散射的方法62.2.2基于振动拉曼散射的方法7一.激光雷达在大气湿度中的应用7二.激光雷达在风速检测中的应用7三.参考文献9四.心得体会9•引言激光雷达系统从整体上可分为激光发射、回波信号接收和采集以及控制三大部分。激光束与大气物质相互作用而产生［Hl波信号是大气探测激光雷达进行大气探测的关键。激光雷达探测大气环境的工作原理是激光器发射的激光通过与大气中的气溶胶及各种大气成分的作用而产生后向散射信号。对探测器接收的携带着被测物质冇关的信息（吸收、散射等）进行分析处理便可得到所需的

3、大气物理要索（如大气消光系数、速度、密度等）。在大气环境污染观测中有关风速、气温、湿度等气象要素是不可缺少的重要参数，所以可以将激光雷达技术在气象中的应用按其要素分为在大气温度检测小的应用、在大气湿度检测屮的应用、在风速检测中的应用。二.激光雷达在大气温度检测中的应用在进行大气物理特性测试、天气预报相关大气参数的获取以及环境监测等领域中,大气温度是至关重要的一个参数。大气温度及其分布的相关信息的准确获取,对正确评估大气物性及其变化趋、！对流活动、云层状态等-•系列构成大气复朵系统的参量，貝有及其重要和最基木的意义。目而大气温度探测较成功的系统有瑞利散射激光雷达系统和转动拉曼散射激

4、光雷达系统，理论及已发表的研究成果表明，这两种系统是在理论和实际应用上都各有优势、物理上可实现的系统。2.1基于瑞利散射的大气温度检测研究瑞利散射是一种中心波长与入射激光波长相同,谱宽依存大气温度变化的弹性散射，它是由散射体粒径比激光波长小的分子或原子引起的散射现象，主要用于大气温度、大气分子密度等参数的测量。2.1.1基于测量瑞利散射回波能量的方法基于测量瑞利散射回波能量方法的瑞利散射激光雷达口J实现对人气温度的探测。目前国际上利用激光雷达探测大气温度大多是利用该方法，如加拿大WesternOntario大学的瑞利散射激光雷达系统、美国通讯研究实验室(CRL)的瑞利散射激光雷达

5、系统等。这类激光雷达以理想气体方程和流体静力学方程为理论基础，利用了大气分子的瑞利散射与大气温度的关系來探测大气温度剖面。其主要思想是:⑴认为30km以上的人气回波主要是分子瑞利散射信号，忽略气溶胶粒子的散射;(2)假设已知某一高度上的人气密度，可得到大气密度分布;(3)结合理想气体状态方程和大气静力学方程求得大气温度。然而研究表明，在30knl以下的高度,难以进行精确的测量，其原因主要是由于低空气溶胶的存在，干扰了大气分子瑞利散射的测量。因此采用此方法的瑞利散射激光雷达只能测量30一90km高度的大气温度剖面，而不适于低空测量。2.1.2基于测量瑞利散射半高线宽的方法研究表明，

6、大气分子的瑞利散射谱的宽度(半波长线宽,FWHH)是温度的直接函数，即散射谱的FWHH近似正比于大气温度的平方根。根拯这一理论，通过测量出瑞利散射的FWHH即可得到大气的温度。这种方法是一种频域测量的方法，由于米氏散射的FWHH非常窄，通常只有几十MHz,而瑞利谱的FWHH要远大于米氏散射谱的FWHH,大约在IGHz左右,因此该方法可以在频域上有效滤除气溶胶产生的米氏散射干扰，使得瑞利激光雷达在30km以卜•也能够得到应用。瑞利散射谱的FWHH的通常能够通过分子吸收滤波器测得，通常使用碘分子1109吸收线作为边缘滤波器。若使激光出射频率扫描1109吸收线，则不同高度、不同温度的大

7、气后向散射光通过碘吸收池后，将产生不同的透过率强度，以此来达到检测温度的口的。所谓测量相对透射率即把大气后向散射光分成两部分，一路由探测器直接测量，另一路通过碘滤波器后被探测器接收，两路比值即可得到相对透射率。然而，大气瑞利散射谱的FWHH不仅仅与温度冇关，而且和气压也冇一定的关系。随着气压的增大，散射谱屮碰撞展宽所片的比例也就越大，散射分量就越多大。特别在低空大气中，大气瑞利散射谱的FWHH就不再严格正比于温度的平方根，而是存在比较大的偏差。这样使得探测的精度不高，大约只有5K