从60年代初期激光雷达问世以来短短30余年中激光雷达技术到了飞速发展其应用领域也越发广泛 涉及科学研究、军事工程和国民经济许多部分.特别是应用激光雷达技术完全大气测量等项工作中显示出这一技术独有特性和突出发展前景。
激光雷达对大气测量工作是射向大气中激光与大气中气溶胶及大气分子作用而产生后向散射且被探测器接收而实现.如图l所示:从激光雷达到被反射至接收器信号携带着被测物质有关信息(吸收、散射等)对这些信息进行分析便可到所需物理量(温度、速度、密度等).激光雷达对大气测量过程中激光与大气作用方式不同及测量目不同演变出了多种不同类型激光雷达。
一、用于气溶胶测量----米氏散射激光雷达
米氏散射激光雷达是最简单却又是十分有效一种激光雷达形式.米氏散射是指与波长同一数量级球形位子散射其散射系数与波长一次方成反比.低空大气中存着丰富被称之为气溶胶飘浮粒子这些粒子散射可以到较强激光雷达信号 并完成与大气污染关系密切气溶胶浓度与能见度测定外 还可以将气溶胶分布作为示踪物对大气构造及运动状况进行观测. 与此同时还可对云、黄沙进行测量. 此外从散射光偏振情况 还可推断气溶胶性质. 米氏散射激光雷达从烟尘扩散到同温层气溶胶从局部现象到整个球规模现象均有广泛应用。
米氏散射激光雷达激光源不需要特定波长但使用较多是高能量Q开关脉冲输出Nd:YAG激光基波二次谐波三次谐波(1.06μm0.532μm0.355μm)。
二、用于气体成分测定一一差分吸收激光雷达
差分吸收激光雷达是利用激光被气体分子吸收及被气溶胶、大气分子后向散射两方面作用效果而设置. 它主要用于大气成分测定 其中包括水蒸汽、臭氧及大气污染体空间浓度分布等.差分吸收激光雷达测量原理是使用激光雷达发出两种波长不等光 其中一个波长调到待测物质吸收线 而另一波长调到线上吸收系数较小边翼 然后以高重复频率将这两种波长光交替发射至大气中. 此时激光雷达所测量到这两种波长光信号衰减差是待测对象吸收所致 数据分析 便可到待测对象浓度分布 达到测量之目. 差分吸收激光雷达光源选择与被测气体不同吸收谱线有关 通常采用YAG激光泵浦波长可变染料激光器。
三、用于气温测定一一拉曼散射激光雷
这从经典电磁理论中可知: 分子中电子光作用下发生极化 极化率大小又因分子热运动而发生改变引起媒质折射率涨落使光学均匀性受到破坏发生光散射即拉曼散射。
拉曼散射光频率是入射光频率和分子振动(转动)固有频率联合.拉曼散射与温度有关可利用这一性质完成对气温测量 拉曼散射激光雷达就是利用这一原理而制成。
利用拉曼散射激光雷达对温度进行测量 即可振动拉曼散射实现也可转动拉曼散射来获.其中后者更适合于低层大气中高精度气温测定.拉曼散射激光雷达中将微弱拉曼散射光与米氏及瑞利散射光加以分离分光系统设计是至关重要.拉曼散射激光霄达所采用激光光源通常采用Q开关YAG激光二次谐波(523nm)作为光源。
四、用于风速测量一一多普勒激光雷达
当目标与雷达之间存相对速度时接收回波信号载波频率就要相对原发射信号载频产生一个频移即多普勒频移其表达式为:fd=2υ/λ
多普勒激光雷达正是基于这一原理而完成测量风速工作. 多普勒激光雷达测量风速过程中就其工作方式而言分为相干方式及非相干方式.通常对流层风速测定中采用相干方式而对同温层及中间层风速测定中通常采用非相干方式激光雷达工作波长短(与微波雷达相比)多普勒频率灵敏度高 故具有极高速度分辨力目前其测速范围已做到0.01一3000m/s.其光源大多采用CO气体激光器。
激光雷达大气测量中应用除上述各项内容外还有专门为测量大气中臭氧分布臭氧激光雷达;有用于测量中间层金属原子层分布(Na、Li、Ca、Fe等)分布共振散射及共振萤光激光雷达有用于高度30h1以上中间层大气密度大气波动现象及高层大气气温测定瑞利散射激光雷达等.此外还有专门测量云高云厚激光雷达一一云高仪等。