用于大气的遥感激光雷达

Mie散射激光雷达和气溶胶探测

大气中的各种固态和液态气溶胶粒子,包括尘埃、烟雾、云层等与激光的相互作用主要表现为Mie散射。 Mie散射的特点是散射粒子的尺寸与入射激光波长相近或比入射波长更大。 Mie散射的辐射波长与入射波长相同,散射过程中没有光能量的交换,称为弹性散射。散射过程中,粒子将入射光向四周的散射并不是均匀的,粒子越大,向前散射大光越多而后向散射光越少。大气探测激光雷达的回波就是这种后向散射光所形成。 Mie散射的截面与许多因素有关,如散射粒子的尺寸、形状、组成等,与入射光波长的关系也不固定(通常可认为1-2次方成反比),这些都使得Mie散射截面的理论处理较为复杂。

Mie散射激光雷达是一种用于探测30km以下低空大气中的尘埃、云雾等气溶胶粒子的激光雷达。大气中的这些气溶胶粒子对激光的散射机制为Mie散射, Mie散射具有较大的散射截面,使Mie散射激光雷达的回波信号通常较大。

1992年出现的一种微脉冲激光雷达是对流层Mie散射激光雷达的新发展。该激光雷达由美国NASA研制,现由美国SESI公司批量生产。其特点该为采用低能量(微焦尔级)、高重复率(千赫兹)、全固体化脉冲激光器,并采用收、发公用光学系统。该激光雷达不仅实现了小型化、自动化、高可靠,而且达到了人眼安全标准,缺点是不具备扫描功能。

    Mie散射激光雷达用得最多、最成熟工作波长是532nm/1064nm, 2004年美国科学家建立了基于Nd:YAG激光器泵浦甲烷的stokes频移1543nm的Mie散射激光雷达，它的优点在于人眼安全，易于将Mie散射和Rayleigh散射分开，利于探测大颗粒子。

Mie散射用于云层的探测,云顶高和云层厚的测量，对于沙尘的探测比较擅长。

Rayleigh散射激光雷达和中层大气探测Rayleigh散射

大气分子对激光束的散射截面与波长的四次方成反比，称之为Rayleigh散射，散射波长与Mie散射相同。Rayleigh散射激光雷达主要用于中、高层大气的探测。

Rayleigh散射激光雷达技术特点:大的激光雷达配置;短的工作波长;小的接收视场和光束发散;严格的发射和接收准直;光子计数检测方式;低空强回波干扰抑制;检测动态范围扩展。

主要应用:分子密度廓线的探测;温度廓线的探测;中层大气重力波的探测。

分子密度式中P(R)表示激光雷达接收到高度R处的回波功率，K表示所有与激光雷达参量有关的常数。该常数对某指定的激光雷达而言为定值，且在整个探测过程中保持不变。s_m为大气分子的Rayleigh散射截面，在激光波长确定的情况下，可视为常数。

Raman激光雷达和大气组分探测

相对于Mie散射和Rayleigh散射，Raman散射强度弱很多，Raman散射的波长不同于散射波长，与散射气体的种类有关，因此它可以用来区分成份；

Raman激光雷达关键技术:很强的Mie-Rayleigh散射抑制，减小其对回波的干扰;高的光谱分辨能力，以利于和其他气体区分出来。

主要用途:湿度廓线(接收水汽振动Raman散射回波)的探测;温度廓线的探测（接收氧气和氮气转动Raman散射回波）;气压和大气密度，近距离大气污染气体的探测等。

差分吸收激光雷达和大气微量组分探测

激光脉冲在大气层中行进一方面被气溶胶和气体分子散射，另一方面还被大气物质吸收，而本系统所提取的信息正是表现为被测气体对激光脉冲能量的吸收。在差分吸收探测系统中，既利用气溶胶和气体分子散射而形成的回波，又利用气体吸收而获得被测气体的信息。其吸收信号的强弱反映了被测气体浓度的大小。为了尽量排除其他各种因素的影响，以获得准确被测气体的吸收信息，在该系统中采用两束波长相近的发射激光束。其中一波长选在被测气体吸收谱峰的中心，吸收较强；另一波长选在吸收谱峰的外边，使其受到的吸收较小，比较两种回波的差异，通过数值分析得到被测气体的浓度。

差分吸收激光雷达技术特点: 双波长发射,双波长接收;

目前国际上已有基于钛宝石激光器和染料激光器的差分吸收雷达探测SO₂, NO₂, O_3，以及基于Ho,Tm:YLF2.0μm激光器探测CO₂气体，都取得了较大成功。军事上用来测生化毒剂。

大气激光雷达的一个发展趋势是，利用共同的激光器和共同的望远镜,同时利用多种激光大气效应，从回波中分离提取多种信号，获得多个大气信息，可称之为综合性大气激光雷达。2005年德国的科学家提出四维综合性激光大气雷达（Mie散射测气溶胶，Rotational Raman散射测温度，差分吸收测水汽）。广西善图科技有限公司