大氣污染物分布的觀測(cè)

　　低空大氣中存在著豐富的被稱之為氣溶膠的漂浮粒子，它是造成大氣污染的主要因素。當(dāng)激光雷達(dá)發(fā)出的激光與這些漂浮粒子發(fā)生作用時(shí)會(huì)發(fā)生散射，而且入射光波長與漂浮粒子的尺度為同一數(shù)量級(jí)，散射系數(shù)與波長一次方成反比，激光雷達(dá)依據(jù)這一性質(zhì)可完成氣溶膠濃度、空間分布及能見度的測(cè)定。同時(shí)可監(jiān)測(cè)沙塵暴的起源、傳輸途徑以及它的沉降過程。以利于各地根據(jù)沙塵暴的不同起源采取不同對(duì)策，利用植樹造林等干擾手段改變或阻斷沙塵暴的傳播路徑。

　　對(duì)大氣及其污染探測(cè)時(shí)，可選用地基固定式、星載激光雷達(dá)、機(jī)載激光雷達(dá)和地對(duì)空激光雷達(dá)進(jìn)行。在實(shí)際工作中，不同的工作目的和探測(cè)目標(biāo)選用了不同的激光雷達(dá)系統(tǒng)。例如：利用Mie散射激光雷達(dá)探測(cè)大氣懸浮塵埃和氣溶膠。氣溶膠造成一系列的環(huán)境污染問題，如臭氧層的破壞、酸雨的形成、煙霧事件的發(fā)生等，已釀成全球性環(huán)境問題。當(dāng)激光穿過大氣與大氣粒子相互作用，Mie散射的微分散射幾率最大。因此，大氣中即使是少量的低濃度懸浮塵埃和氣溶膠，也可以根據(jù)Mie散射探測(cè)來確定它們的成分及污染程度，得到精確度較高的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，定量化研究評(píng)估氣溶膠等大氣成分對(duì)氣候、生態(tài)環(huán)境的影響，提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和有效監(jiān)控大氣污染，可為制定相關(guān)政策提供科學(xué)依據(jù)。可以利用Rayleigh散射激光雷達(dá)探測(cè)破壞大氣臭氧層的氟利昂系列。Rayleigh散射是大氣原子或分子的彈性散射，其后向散射截面比較大，因此，Rayleigh散射激光雷達(dá)適用于中層大氣成分變化的探測(cè)。利用Raman激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)羽狀的氣體污染源。Raman散射是激光作用于物質(zhì)粒子產(chǎn)生的非彈性散射過程。散射光子與入射光子能量之差決定于散射物體成分，由于散射截面較小，探測(cè)靈敏度有限，因此，Raman激光雷達(dá)非常適用對(duì)工廠和汽車排放羽狀的污染源進(jìn)行監(jiān)測(cè)。Raman激光雷達(dá)在20世紀(jì)70年代得到迅速發(fā)展。近年來，發(fā)展了探測(cè)靈敏度很高的差分吸收激光雷達(dá)，用于城市大氣環(huán)境和城市污染源的高分辨率探測(cè)。

　　大氣成分的觀測(cè)

　　差分吸收激光雷達(dá)是利用激光被氣體分子的吸收及被氣溶膠、大氣分子的后向散射兩方面的作用效果而設(shè)置的。它主要用于大氣成分的測(cè)定，其中包括水蒸汽、臭氧及大氣污染體的空間濃度分布等。差分吸收激光雷達(dá)的測(cè)量原理是使用激光雷達(dá)發(fā)出兩種波長不等的光，其中一個(gè)波長調(diào)到待測(cè)物質(zhì)的吸收線，而另一波長調(diào)到線上吸收系數(shù)較小的邊翼，然后以高重復(fù)頻率將這兩種波長的光交替發(fā)射至大氣中。此時(shí)由于激光雷達(dá)所測(cè)量到的這兩種波長光信號(hào)衰減差是待測(cè)對(duì)象的吸收所致，因此通過數(shù)據(jù)分析，便可得到待測(cè)對(duì)象的濃度分布，從而達(dá)到測(cè)量目的。

　　氣象要素的觀測(cè)

　　在大氣環(huán)境污染觀測(cè)中有關(guān)風(fēng)速、氣溫、濕度等氣象要素是不可缺少的重要參數(shù)。近年來利用拉曼散射與溫度關(guān)系制成的拉曼散射激光雷達(dá)己有廣泛的應(yīng)用。在使用拉曼散射激光雷達(dá)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，既可通過轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射激光雷達(dá)加以實(shí)現(xiàn)，也可利用振動(dòng)拉曼散射激光雷達(dá)來獲得，后者更適合低層大氣中高精度氣溫的測(cè)定。利用多普勒激光雷達(dá)可以測(cè)量風(fēng)速，就其工作方式而言，分為相干方式及非相干方式。通常在對(duì)流層風(fēng)速測(cè)定中采用相干方式，而對(duì)同溫層及中層風(fēng)速速測(cè)定中，通常采用非相干方式。

　　中間層金屬蒸氣層的觀測(cè)

　　在距地面80-120km的中間層頂部及電離層底部存在著較豐富的金屬蒸氣層，如Na，K，Li，Ca，F(xiàn)e等。以這些金屬原子作為示蹤物開展大氣動(dòng)力學(xué)研究，是一種非常有效的方法。鈉熒光共振散射激光雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)與瑞利散射激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)類似。由于中間層頂大氣分子密度很低，瑞利散射信號(hào)十分微弱，而該區(qū)域內(nèi)的鈉金屬原子層由于其共振熒光截面比瑞利散射截面高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，利用鈉熒光雷達(dá)研究鈉層分布，進(jìn)而研究重力波等有關(guān)性質(zhì)更顯示其獨(dú)有的特性。2001年武漢大學(xué)自籌經(jīng)費(fèi)研制成功了國內(nèi)第一臺(tái)雙波長高空激光雷達(dá)。工作波長為532nm（瑞利模式）和589nm（鈉熒光模式），利用瑞利和鈉熒光激光雷達(dá)回波，獲取地球上空30-80km高度范圍大氣密度和85-105km鈉層的密度與溫度的空間結(jié)構(gòu)和時(shí)間變化，辯明中高層大氣中關(guān)鍵的動(dòng)力學(xué)過程，建立我國上空中高層大氣的密度和溫度模式，為我國的航天活動(dòng)、國防工程建設(shè)和其他應(yīng)用部門提供空間環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)服務(wù)。