2.2.3 激光雷达应用
2.2.3.1 大气能见度探测
大气能见度在科学上并没有一个很严谨的定义，世界气象组织（WMO）于1971年对白天能见度的定义为：“气象上的白天能见度是指在天空或雾气背景条件下，近地面适当大小的黑色物体可以被看见或分辨的最远距离。”传统上，人眼观测是最早和最为简便的观测大气能见度的方法，但由于受观测者主观因素的影响而产生较大的观测误差。利用观测仪器对能见度进行测量的方法主要分为照相法、气溶胶采样法和光学参数测量法，现有能见度自动测量系统多采用透射式、前向散射式和CCD摄像法等方式，这些设备都需要合作目标，体积较大，成本较高，安装和携带不方便。虽然获取受气溶胶影响目标物的清晰度照片是测量能见度变化最简单和直接的方法，但由于很难从照片或图片中提取定量信息，所以增加了其实际应用的难度。气溶胶采样法是通过直接测量大气中气溶胶粒子的浓度来间接反演能见度数值，由于该方法中涉及不同种类和尺度气溶胶粒子的光学特性，光辐射与粒子间的作用类型以及采样过程中的烦琐步骤，使得其测量精度难以保证。因此对大气最基本的光学特征参数测量是最可靠的能见度测量方法。水平能见度的测量首先需要得到大气的水平消光系数，虽然计算水平消光系数的方法早已有之，但是由于不适于计算机处理而一直未能广泛应用，本节介绍一种迭代扩展算法，可以很好地解决水平消光系数的计算，进而实现水平能见度的自动提取。根据能见度理论，推导出一个垂直能见度的计算公式，运用此公式可以方便地计算垂直能见度。在给出相关算法之前，首先介绍一下能见度的基本概念。
上述直接应用于飞机着陆、船舶和公路运输的气象能见度是一种主观性定义，即指正常人的视力在白天无云的天空背景下，辨认出视角大于0.5o的黑色目标物的形体或轮廓的最大水平距离。相应的科学术语为视程，意指在给定方向能看到多远的距离。此定义和术语均与视神经的生理特征有关，表现为受视力分辨和对比两个因子影响，例如我们不能在过远距离阅读，尽管此时字与纸面的对比很高，此即受视力分辨的限制。我们可清晰地从夜空分辨亮星，因亮星与夜空之间的对比为极端值。而在白天，同样的星却不可见，因空气分子和气溶胶对太阳的散射光，使星与天空的对比减至零。在大多数场合，目标物与其周围之间缺乏明显的对比，限制了我们远视目标，主要原因是气溶胶质粒，尤其是0.1～1.0μm尺度产生的散射光，减小了目标与背景的视亮度对比。空气分子散射的效应很小，但它也限制了最大可视距离100～300km。从目标射来的光被散射，偏离可见路径，不能到达人眼。太阳光被散射进入可见路径，使黑暗目标变亮，随着距离的增加，对比减小到目标刚能分辨，此即视程。Koschmieder（1924）首先创建能见度理论，Middleton（1968）对它做了简洁概括。下面对它做一简要介绍。
目标的亮度B与背景亮度B0之间存在一对比度C，定义为：
（2-18）
考虑位于水平距离L处的黑色目标，面积为A，它在观测者眼睛处的立体角为ΔΩ=A/L2。假设大气是均匀不相干散射体介质，则从元量体积ΔAΔL'向观测者射出的散射通量为：
（2-19）
C1为比例常数，σe为大气消光系数。到达观测者眼睛上的照度为：
（2-20）
比例常数C2已包括前一式的C1。目标在观测者眼睛的亮度为：
（2-21）
在视线范围0～L内对大气介质进行积分，得黑色目标物的视亮度为：
（2-22）
为了确定C2，设想目标移至无限远处，则其亮度等效于背景天空的亮度B0，即当L→∞时，B0=C2，故
（2-23）
此即Koschmieder公式，可作为激光探测能见度的基础。把它代入式（2-18）得到：
（2-24）
正常人视力识别目标的对比度阈值，Koschmieder取为0.02（实际上并非常数，变化范围为0.007～0.04，取决于目标物的视角），将此时对应的最大距离记为能见度Vm，由此可得均匀不相干大气的能见度方程为：
（2-25）
由此可见，严格按气象能见度定义观测获得的Vm仅与大气水平消光系数有关。
世界气象组织（WMO）规定的气象光学能见度（MOR）定义一色温为2700K的白炽灯，当其平行光束的光通量减小到原始值的0.05时，在大气中所通过的距离。即把人眼的对比度阈值取为0.05，此时
（2-26）
作为近似，可用人眼最敏感的绿光（λ=0.55μm）的消光系数代替，当用其他波长时应做相应的订正：
（2-27）
q为波长修正因子，视能见度不同而取不同数值
（2-28）
（1）水平能见度
如果得到水平均匀大气的消光系数，即可计算水平能见度，而激光雷达是获得大气消光系数的有力工具。通常，大气在水平方向上是比较均匀的，因此水平方向上的米散射激光雷达方程可写为
（2-29）
式中 P（R）——激光雷达接收的大气后向散射光的回波功率，W；
C——激光雷达系统常数，W·km3·sr；
β——大气水平后向散射系数，km-1·sr-1；
σH——大气水平消光系数，km-1。
对式（2-29）两边取对数并对距离R求导得出
（2-30）
由于已假定大气水平均匀，故
。因此，对ln［P（R）R2］和R进行最小二乘法线性拟合，拟合直线斜率的一半则是大气水平消光系数σH，它包含来自大气中气溶胶粒子和空气分子的共同贡献。这就是确定大气水平消光系数σH的斜率法。
水平能见度Vm：
（2-31）
上述方法由于其简单明了已被广泛使用，但必须指出在推导时做了如下假定：
①沿水平路径上大气消光系数是恒定的；
②水平路径上每个体积元的光散射量与体积元体积、大气消光系数成正比，而且沿水平路径保持不变；
③观察目标物是绝对黑体，且以水平天空作为观察背景；
④人眼的对比度阈值为0.02。
（2）垂直能见度
大气在水平方向可以假定是均一的，但在垂直方向却有显著变化。观察者从地面向上观察能看到的最大高度定义为垂直能见度。根据文献，距离Z处的垂直能见度与距离Z处的消光系数和对比度阈值ε有关，表达式为：
（2-32）
在距离Z1和Z2处的两个点之间的平均能见度由下式给出：
（2-33）
很显然，式（2-32）定义了一个点的大气属性，而式（2-33）则定义了一个平均的大气属性。
2.2.3.2 大气边界层的探测
对流层从地面向上一直可以延伸到平均高度11km，但通常只有最低处几公里才直接受下垫面影响。大气边界层就是直接受地面影响的那部分对流层，它响应地面作用的时间尺度为1h或更短。这些作用包括摩擦阻力、蒸发和蒸腾、热量输送、污染物排放以及影响气流变化的地形等。大气边界层厚度是完全随时间和空间变化的，变化幅度从几百米到几公里。大气边界层高度是近地面大气对流混合所能达到的高度，边界层内聚集着大量的颗粒物，层内水汽也十分丰富，相对湿度大。而在逆温层上部的自由大气内，颗粒物浓度和水汽含量都迅速减小，因此边界层高度可以很大程度上反映颗粒物的空间分布状况。
根据大气结构的特点，可以根据颗粒物消光系数的垂直分布来确定大气边界层的高度。由激光雷达所测的信号反演得到的颗粒物消光系数对应着探测高度的颗粒物浓度，消光系数越大，在该高度上的颗粒物浓度就越大。通常在大气边界层与上界自由大气的交界高度处颗粒物消光系数迅速减弱，所以边界层的高度可用颗粒物消光系数的最大突变（即最大递减率）的高度来确定。
利用激光雷达探测大气边界层的高度，主要是从激光雷达的回波信号中提取出相关信息，如原始信号廓线、消光后向散射比廓线、消光系数廓线等的分布变化。
利用回波信号X（Z）廓线：在激光雷达的回波信号廓线中，在某一高度若气溶胶浓度高（或有云层存在），则该高度处的回波信号相应也很强；反之亦然。由2.2.2部分可知，在大气边界层与自由大气层的交界高度，激光雷达接收到的回波信号应迅速减弱，故对回波信号进行距离修正和重叠修正后，得到X（Z）=P（Z）Z2，求取对高度Z的斜率-d
/dZ，找到斜率的最大值，该最大值处的高度即为大气边界层的高度。如图2-10所示。
图2-10 雷达回波信号及其衰减廓线
从图2-10可看出，回波信号在1550m左右具有最大衰减率（排除近地面影响），故此高度即为该时刻大气边界层的高度。
利用气溶胶散射比R（Z）廓线：反演出气溶胶散射比廓线R（Z），并计算出其变化率-dR（Z）/dZ，若某个高度处的-dR（Z）/dZ的值最大，该高度即可认为是大气边界层的高度。
利用气溶胶消光系数α（Z）廓线：同理，反演出气溶胶消光系数廓线α（Z），并计算出其变化率-dα（Z）/dZ，某个高度处的-dα（Z）/dZ的值最大，该高度即可认为是大气边界层的高度。
消光系数廓线及其一阶导数如图2-11所示。
图2-11 消光系数廓线及其一阶导数
2.2.3.3 大气痕量气体的测量
（1）SO2的监测
SO2是化石燃料在燃烧时产生的最重要污染物之一，其产生的量与燃料中硫的含量直接有关。在大气中SO2气体转变为硫酸或硫酸盐颗粒，并随着雨雾而沉降到地面，这就是某些地区酸雨的来源。SO2的吸收光谱主要在300nm附近区域。
差分吸收激光雷达（DIAL）技术在测定某工厂排放的污染物的总流量时是非常有用的，用激光雷达系统的光束对工厂顺风边的大气垂直扫描就可以进行这样的测定。这一方法不但能测出烟囱的排放物，而且可测出排气管和阀门泄漏等的零星排放。在DIAL系统的计算机上对不同方向测量的DIAL曲线进行自动计算，得到的浓度以灰度级来表示，总的数据采集时间是20min，从数据结果中可计算出区域总的浓度值NA的数据。将该浓度值乘以垂直于测量平面的风速分量，就可得到该工厂的总流量Ftol：
（2-34）
式中 NA——流量函数；
ϕ——测量方向和垂直于烟的方向的夹角。
很明显，为了精确地测量流量，正确的风速测量和正确的DIAL测量是同等重要的。
由于采用高效率的罗丹明染料经倍频后可获得检测SO2所需的DIAL激光波长，激光脉冲的能量是很高的，足以进行实用性的远距离测量；最后实测结果显示的是水平距离达4km的“λon”和“λoff”波长上的测量曲线及相应的DIAL曲线。大约在3km距离处遇到了薄云，但在云过去后信号得到了恢复。该项测量是冰岛地热区释放的H2S在顺风处可能转变为SO2项目的部分研究内容。实验结果显示，SO2的浓度非常低，在更长距离时浓度也没有增加，说明H2S转变为SO2的大气化学反应需要较长时间。
下面介绍用车载激光雷达对工厂SO2进行等浓度线分布测量与垂直廓线测量的例子。该雷达采用Nd：YAG激光532nm倍频泵浦罗丹明染料激光器，并再倍频获得紫外激光，取λon=300.3nm、λoff=299.3nm作为SO2的测量激光线。在等浓度线分布测量中，激光雷达距厂区的排放源约1km。激光雷达对厂区范围进行16个方位角的水平扇形扫描。每个测量角度的探测时间为1min，对整个区域完成一次扫描的时间为16min，共用2.5h进行了9次扫描。从等浓度线可清楚看出在排放烟囱的周围水平面内SO2浓度的分布情况，在工厂的下风区域，烟雾分成两部分，上部的浓烟团是由122m高的烟囱直接排放出来的；100m以下的弥散烟雾是由工厂扩散出来的，浓度较小。扩散烟雾中SO2的等浓度线间隔为200μm/m3。由测量获得的总积分浓度乘以通过风速机测量出的风速，可以计算出从该工厂排放出的污染物的流量。另一方面，如果对同一区域同时进行平面的与垂直剖面的测量，将可得到大气污染物的三维空间分布状况。
（2）O3的监测
当前，对O3的监测受到极大的关注。对流层臭氧浓度的逐步增加，被认为至少部分地与在欧洲所观察到的不断被破坏的森林有关；平流层的O3层正被耗尽，很可能是O3与含氟烃类化合物（氟利昂）的化学反应引起的。许多研究小组已经对平流层的O3进行了各种测量。为了在平流层高度上进行测量，需要激光雷达系统使用高能量（约1J）脉冲激光、大接收面积（孔径约1m）的望远镜以及光子计数探测装置。为了避免探测光在低空时就被过量吸收，对平流层的O3进行测量，需要使用被O3吸收很弱的激光波长（较长的波长）。检测O3要使用波长间隔较宽的波长对，需要对不同波长上的不同米散射进行修正。当通过对流层这样的粒子层时，这种修正特别关键。
（3）NO2的监测
NO在所有高温燃烧中形成，是工业生产特别是汽车运输的重要污染物。NO在排放到空气中不久，就立即被氧化成NO2，继而转变为HNO3，从而形成酸雨使土壤酸化。NO2的吸收谱位于蓝色光谱区，是被DIAL技术测量的第一个污染物。
（4）NO的监测
NO具有一个很强的吸收带，图2-12所示的是位于紫外短波段的γ谱带。Alden等第一个报道了NO的大气紫外激光雷达测量。他们所用的光源是受激拉曼散射产出的辐射。为对NO烟雾进行DIAL测量，采用了混频方法，首先对575nm的染料激光倍频，然后与余下的Nd：YAG基频辐射在第二块KDP晶体中混频，得到波长为226nm的激光输出。
图2-12 NO的吸收谱和DIAL波长
图2-13给出了垂直扫描烟囱顺风边的结果。
图2-13 工厂烟雾的NO垂直扫描测量
由于NO的吸收波长接近NO2吸收波长的1/2，因此使用同一倍频激光器可以同时测量这两种气体。KPB（五硼酸钾）倍频晶体的转换效率太低，但使用新的非线性晶体BBO（β硼酸钡），两种污染物同时监测已成现实。
2.2.3.4 其他气体的监测
许多其他污染气体的DIAL监测也已做了演示，尽管这种技术对这些气体的可操作性没有对SO2、O3、NO2、NO和Hg的强。甲苯和苯分别在267nm和253nm的DIAL监测最近已有报道，分子氯（Cl2）显示了在紫外谱区的宽带吸收，和O3相似，在Cl2的DIAL测量中也需要有足够大的波长分开。人造Cl2云的DIAL测量的演示实验已经由Edner等开展。从焚烧船排放的HCl已经由Weitkamp用3.6μm的DF激光进行了监测。用混频技术，由CO2激光已经产出了大约5μm的激光波长，用于CO、NO、肼和其他燃料的DIAL监测。烃类化合物可以用CH伸展波长3.4μm进行测量，而实际的DIAL测量是由Milton等做的。也已建立了一套特殊的简化系统用于检测从天然气管道中漏出的CH4。在一个系统中气体相关激光雷达技术被用于泄漏的CH4的检测。在CO2激光波长（10μm）处直接的和外差的DIAL监测的一些实验已进行并用于氟利昂-12、乙烯、O3、NH3和SF6的测定。
随着激光器、光电子技术、计算机技术及信号探测技术的发展，激光雷达在大气探测领域的应用越来越广泛，并逐步在国际大气合作计划中得到应用。现就其发展过程和趋势归纳如下。
（1）实验室研制到产品化、商品化
由于激光雷达能够监测多种重要大气成分的空间分布，并具有测量范围大和时空分辨率高等优点，具备其他地基手段不可替代的作用，因此其应用前景比较广阔。目前，单波长米散射激光雷达及测污染差分吸收激光雷达已商品化。例如，美国SESI公司研制的微脉冲激光雷达系列、德国ELIGHT公司开发的车载测污激光雷达、美国ORCA及加拿大OPTECH公司开发的激光雷达系列等，已经从实验室研究发展到商业公司的产品研制开发。
（2）单波长单功能向多波长多功能化发展
随着激光雷达技术的发展，激光雷达从最早的单波长米散射探测气溶胶的空间分布，到现在的多波长多功能化，可探测多种大气成分（气溶胶、云、水汽和臭氧等）的分布，并研究这些大气成分的光学特性、浓度分布及相互关系。同时，多波长激光雷达系统可以提供气溶胶及其他大气成分的更多信息。例如，A.Althausen等发展的6个激光波长同时发射和11个接收通道同时接收的激光雷达系统，同时具备Mie-Raman散射和偏振功能，通过多波长回波反演气溶胶的消光、后向散射系数、尺度谱分布、有效半径及折射率指数以及探测卷云与水汽等的分布。
（3）地基固定式向车载、机载及空间平台发展
地基单点固定式激光雷达的长期观测十分必要，对于研究和统计分析一些重要大气成分的变化规律具有重要价值。但是，像车载、船载和机载式的可移动式平台，其机动性强，将更能发挥激光雷达的功能和作用，而且其观测资料更能代表区域性大气成分的分布。机载式和船载式激光雷达可以在海洋上空观测，它们在一些区域性乃至全球性大气辐射和环境研究的对比实验中发挥了重要作用。例如，印度洋实验（INDOEX）、对流层气溶胶辐射强迫观测实验（TARFOX）、全球对流层实验（GTE）、太平洋地区微量成分变化（TRACE-P）等。尤其是星载空间激光雷达，它能够进行全球范围内重要大气成分的主动遥感，并具有较高的时空分辨率和探测精度。米散射、差分吸收及多普勒（Doppler）激光雷达等已向星载平台发展。1994年9月美国NASA成功进行了激光雷达空间技术实验（LITE），尽管只有十几天的观测，但由于其实验数据的特殊价值而引起了各国科学家的极大关注。随后日本NASDA开展了空间激光雷达项目（ELISE）。最近，美国NASA开展研制新一代空间激光雷达（PISSCO-CENA）。加拿大太空局和欧洲太空局研制了空间测风多普勒（Doppler）激光雷达。
（4）单站到多站及布网的联合观测
随着大气辐射和环境科学国际合作研究的需要，单站激光雷达观测的数据虽然十分重要，但由于大气气溶胶等重要大气成分的局地性变化较大，远远满足不了区域性乃至全球大气合作研究的需要，而且也要求进行长期的观测及大量的资料积累，这对于数值模式的检验和发展也十分必要。例如，全球火山灰气溶胶的演变过程、沙尘气溶胶的远距离输送、全球臭氧层的变化及温度分布的变化等均需要布网联合观测。一些国际合作研究计划，像全球平流层变化观测网（NDSC）、气溶胶特征实验（ACE-Ⅰ、Ⅱ）等均使用多个激光雷达对一些重要大气成分的空间分布进行观测。欧洲气溶胶研究激光雷达观测网包括了欧洲不同国家21个地面激光雷达观测站，亚洲沙尘激光雷达观测网（AD-Net）对亚洲大陆沙尘气溶胶的光学特性及其远距离输送进行联合观测，拉丁美洲激光雷达观测网开展了对热带和南半球低纬度地区重要大气成分的合作观测。激光雷达技术的发展日趋成熟，激光雷达在大气探测领域的作用也越来越突出。但是目前激光雷达在大气探测领域的广泛应用仍面临着许多挑战。例如，白天观测受强背景光、噪声的影响，激光雷达的有效探测高度受到很大限制，窄带高截止滤光技术及整个系统如何压低背景光的干扰等仍有很多工作要做。另外，在气象和大气环境监测部门的业务化使用仍十分有限，它除了要求较高的探测精度和灵敏度外，还需要稳定性较好、操作方便以及用户可以接受的性价比等。