激光雷达(LiDAR )技术 在气象探测研究中的应用

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1 激光雷达(LiDAR )技术 在气象探测研究中的应用
陈涛 激光雷达传感 1

2 Radar LiDAR Radio Detection And Ranging（无线电探测及测距）
以微波和毫米波为载波，由发射机、天线和接收机等部分组成。 Light Detection And Ranging（激光探测及测距） 以激光为载波，以光电探测器为接收器件，以光学望远镜为天线，俗称“激光雷达”。 激光雷达的基本技术源自微波雷达，二者并无本质区别，原理框图也十分类似。传统雷达是以微波和毫米波为载波的雷达。激光雷达以激光为载波，波长比微波和毫米波短得多。工作原理，基本组成与传统雷达十分相似，但是激光雷达具有很多优势是传统雷达达不到的。 2

3 优点 1 2 3 近年来，Lidar能得到如此迅猛发展，自有其过人之处。虽然目前还有很多理论尚待解决，但Lidar已在多方面的领域大展身手。

4 1.工作原理： 激光发射部分 它主要由激光器和发射镜片组构成。
激光雷达系统基本上是由激光发射、信号接收和数据采集及控制三部分组成。发射激光束打到目标物体上并反射回来，接收器准确地测量出光脉冲从发射到被反射回的信号及传播时间，光速已知，就可得到从激光雷达到目标点的距离。 激光发射部分是产生和发射激光束的装置，它主要由激光器和发射镜片组构成。 激光发射部分 它主要由激光器和发射镜片组构成。 信号接收部分 主要功能是接收回波光信号，并根据不同波长分别导入相应的探测通道。 数据采集及控制部分 主要是用于确保激光发射、回波信号接收、数据采集、传送和存储步调一致地工作。 4

5 核心 典型Lidar基本框图： 激光电源 激光调制 光束控制 发射光学天线 接收光学天线 激光器 探测器 制冷 前置放大器 主放大器
信号处理 模数转换 主处理器 距离信息 速度信息 角度信息 目标图像信息 通信系统 屏幕显示 伺服系统 目标物体 矩形虚线框内的结构是激光雷达的技术核心，包括发射系统和接收系统。 5

6 2.激光雷达在大气遥感中的应用 激光雷达是探测大气成分 垂直分布的有效工具 差分吸收：CO2 ,CH4, O3, SO2 , NO2
拉曼散射：水汽、温度、气溶胶 米 散 射： 气溶胶、云 瑞利散射：平流层和中层温度 偏 振： 沙尘、卷云 高光谱分辨：对流层温度、气溶胶 多普勒： 风场 共振散射： 高层原（离）子浓度

7 目前已有观测台站建立的激光雷达和探测的大气成分
序号 激光雷达种类 观测的大气成分 高度范围 观测误差或精度 1 紫外差分吸收（DIAL） O3浓度 0-40 km 对流层：10% 平流层：20% 2 近红外差分吸收（DIAL） CO2、CH4浓度 对流层 10% 3 SO2、NO2浓度 边界层 SO2：10ppb NO2: 25ppb 4 Raman-Mie散射 大气气溶胶 0-30 km 对流层： 10% 平流层： 20% 5 Polarization 卷云、沙尘 6 Raman 水汽混合比 边界层: 　10 % 自由大气层：25 % 7 Raman-Rayleigh 温度 30 km以下 ：<2k 40 km以下： <3k 8 Doppler 风廓线仪 风向和风速 2km以下 ： 1m/s 15km以下 ：2m/s

8 3.探测大气气溶胶的三种类型激光雷达 ●米散射激光雷达 （Backscatter Lidar, BL）
●拉曼激光雷达（Raman Lidar, RL） ●偏振激光雷达（Polarization lidar, PL）

9 激光雷达定量探测大气气溶胶光学参数 的垂直分布
● 大气气溶胶消光系数 后向散射系数 消光后向散射比 Angstrom 指数 ● 沙尘粒子退偏振比 ● 悬浮大气气溶胶粒子层（Elevated aerosol layer） ● 大气气溶胶边界层 (Aerosol boundary layer)

10 米散射激光雷达 米(Mie)散射激光雷达是最早用于大气探测的激光雷达，主要是利用大气气溶胶的后向Mie散射回波信号探测其消光系数或体后向散射系数的分布。 常用的激光波长为Nd:YAG的二倍频输出532nm 探测范围从近地面至平流层30km高空；并且它还能够在白天进行对流层中低层气溶胶的测量。 这种激光雷达技术发展比较早且比较成熟，系统结构简单，现在已向小型化和商品化发展，在大气环境及气溶胶相关的气候辐射领域等具有广泛用途。

11 米散射激光雷达探测原理 米散射激光雷达探测原理 O(z) 通过实验确定 K 在对流层顶附近的大气洁净区标定 大气模式或气象探空资料 假设
从P(Z, ) 数据反演出大气气溶胶后向散射系数 米散射激光雷达探测原理 米散射激光雷达探测原理

12 米散射激光雷达的特点与应用 优点 ●结构简单、成本低 ●回波信号强，实现昼夜连续探测 ● 探测跨度可以覆盖对流层或平流层 缺点
●定量反演大气气溶胶消光系数的精度受到限制 应用 ● 技术成熟，已有商业化产品 ●广泛应用到对流层、平流层大气气溶胶探测中 ●获得气溶胶结构和光学参数的垂直分布和时间演变特征

13 Elevated aerosol layer
Clear layer Elevated aerosol layer Boundary layer 合肥市冬季大气气溶胶层结构 垂直分布的日际变化 北京市夏季大气气溶胶层结构 垂直分布的日变化

14 合肥市沙尘粒子层结构的垂直分布 （Jun Zhou et al., JGR, Vol. 107, NO. D15, 2002）

15 合肥市大气气溶胶边界层高度的日变化特征个例

16 大气气溶胶消光系数高度-时间分布（安徽合肥，2005年2月22日）

17 合肥市气溶胶Angstrom 指数垂直分布的变化特征
A(z) is closely related to aerosol size distribution. A(z): 0～2 0: very large particles 2: very small particles. Asian dust Normal aerosol

18 合肥上空平流层气溶胶散射比垂直分布的 年际变化特征

19 .拉曼(Raman)激光雷达 拉曼激光雷达在测量大气中含量较高的气体方面潜力最大。当激光与气体发生拉曼散射时，其拉曼频移等于被测气体分子的振动或转动频移，其强度正比于气体分子的浓度。 现在拉曼激光雷达已成功地运用于大气分子(包括甲烷、二氧化硫、二氧化碳等)的探测，同时还已用于大气温度、密度以及水汽含量的测量。

20 Raman激光雷达探测原理 大气气溶胶消光系数：Raman回波信号 大气气溶胶后向散射系数：Raman回波信号&Mie散射回波信号

21 Raman激光雷达的特点及应用 优点 ●结构比较简单，成本比较低 ●定量测量大气气溶胶消光系数 后向散射系数 消光后向散射比 缺点
●白天探测大气气溶胶的高度受到限制 ●需要对回波信号进行较长时间的累积平均（几万发），时间分辨率受到限制 应用 ●大气边界层与自由大气中下部大气气溶胶层、云层光学参数的 定量探测

22 车载式Raman激光雷达 2β+1 α：Backscatter at 2 wavelength(2β): 532,1064nm
(2β+1α) 2β+1 α：Backscatter at 2 wavelength(2β): 532,1064nm Extionction at 1 wavelength(1 α): 355nm

23 Raman 散射反演（　　） 与米散射反演（　　） 大气气溶胶光学参数垂直分布的结果对比 355nm 355nm 355nm

24 Raman激光雷达探测水汽

25 Raman激光雷达水汽探测原理

26 Properties of Raman lidars
Advantages Specific to particular molecules Signal Ratio directly measures molecular number density Many systematic errors cancel in ratio Insensitive to extinction Disadvantages Raman scattering is very weak Need large lidars Measurements mostly restricted to night-time Spectroscopic uncertainties

27 车载式拉曼-米散射激光雷达

28 接收光学望远镜 Nd:YAG激光器 N2 N2 H2O H2O 信号探测单元

29 不同时刻探测的水汽混合比垂直廓线

30 偏振激光雷达探测原理 偏振激光雷达方程： 退偏振比：

31 Cirrus Asian dust 合肥市沙尘粒子和卷云的退偏振比个例

32 4.其他大气探测中常用的激光雷达 差分吸收激光雷达(DIAL)
激光雷达发射两种波长非常接近的激光脉冲，但探测气体成分仅对其中的一个波长具有很强的吸收特性，而对另一种波长则为弱吸收或不吸收。将不同波长回波信号强度进行比较即可确定所含气体的浓度及其所处位置。因为许多气体都是光的吸收体，所以用这种方法测量微量气体具有很高的灵敏度。 高光谱分辨率激光雷达(HSRL) 用高光谱分辨能力滤光器将分子Rayleigh散射和气溶胶Mie散射信号分开同时接收，直接反演气溶胶的消光和体后向散射系数及空气分子密度温度等

33 安徽光机所研制的大气探测激光雷达 拉曼-米散射 瑞利-差分吸收 多普勒 微脉冲 偏振 双波长米散射 机载 米散射 车载式差分吸收
车载式拉曼-米散射 多普勒 微脉冲 偏振 双波长米散射 瑞利－拉曼 －共振散射 机载 米散射

34 激光雷达探测大气气溶胶的性能与误差 GAW Report No. 178 引自

35 5.激光雷达发展方向 1、便携，降低产品价格，商品化 2、多波长、多参数测量 3、区域性布网 4、机载、星载

36 偏振微脉冲激光雷达 1）部分激光雷达产品 POLIS MPL 便携式偏振-米散射激光雷达 米散射-偏振-拉曼激光雷达
紧凑型 Raman-Mie-Polarization 激光雷达 便携式偏振-米散射激光雷达 米散射-偏振-拉曼激光雷达

37 2）多波长Raman/HSRL-Mie-Polarization激光雷达及其
大气气溶胶微物理参数探测研究 总面积浓度 有效半径 总体积浓度

38 日本国立环境研究所 Next generation aerosol lidar
2α+3β+2δ HSRL Compact, automatic (being developed) 引自 Nobuo Sugimoto: Measurement of distribution and characteristics of aerosols using advanced lidar techniques

39 美国NASA Langley 机载多波长HSRL 引自

40 3波长Raman-Mie-Polarization激光雷达
中国科学院大气成分与光学重点实验室 3波长Raman-Mie-Polarization激光雷达 3β+2α+1δ （1 532 nm

41 3)区域性大气成分探测地基激光雷达观测网 NDACC 激光雷达观测网 亚洲激光雷达观测网 独联体激光雷达观测网 MPL观测网
EARLINET‘ REALM 美国东部激光雷达观测网 NDACC NDACC 激光雷达观测网 AD-Net 欧洲激光雷达观测网 CIS-LiNet 拉丁美洲激光雷达观测网 MPLNET 亚洲激光雷达观测网 独联体激光雷达观测网 MPL观测网 引自Galion Meeting (mar , 2007,Hamburg, Germany)

42 国家航空遥感系统 National Aeronautic Remote Sensing System（NARSS）
4）机载、星载激光雷达 国家航空遥感系统 National Aeronautic Remote Sensing System（NARSS） 高分辨率光学航空相机系统 机载多光谱航空相机系统 大面阵彩色CCD数字航测相机系统 高分辨率合成孔径雷达系统 实用型模块化成像光谱仪系统 推帚式超光谱成像仪系统 机载超光谱成像仪 机载高空间分辨力、高光谱分辨力多维集成遥感系统 多波段、全极化、干涉合成孔径雷达集成系统 机载全极化微波辐射/散射计 机载激光雷达三维成像系统 环境大气成分测量系统（激光雷达、DOAS ,偏振辐射计） 航空地磁测量系统

43 机载双波长偏振米散射激光雷达 及其在天津海面上空的测量结果

44 云气溶胶激光雷达红外探索 卫星观测系统（CALIPSO） （Cloud- Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation）

45 Thank you！

46 差分吸收激光雷达（DIAL） 探测微量气体（SO2、O3、NO2 ） λON λOFF SO2气体分子吸收谱

47 差分吸收激光雷达（DIAL）探测原理图

48 差分吸收激光雷达（DIAL）探测原理 λON（nm） 286.9 398.3 282.4 λOFF（nm） 286.3 397.0
SO O NO2 λON（nm） 286.9 398.3 282.4 λOFF（nm） 286.3 397.0 286.3

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50 车载式测污差分吸收激光雷达照片

51 激光光源及其发射光学单元（左）和信号探测与控制单元（右）

52 2004年4月26/27日肥东二电厂附近的SO2浓度水平分布

53 中国气象局南郊观测场O3对比测量结果

54 合肥地区2008年平流层臭氧浓度年平均垂直分布

55 激光雷达探测大气温度

56 探测大气温度的纯转动Raman激光雷达 J=-6 J=+12 J=+6 利用532nm激光激发大气中气体N2，产生纯转动拉曼散射。
转动Raman散射的强弱与大气温度相关。通过接收大气中 N2 Raman散射J＝±6，J＝±12级谱线强度，反演大气温度分布廓线

57 532nm 焦平面 焦平面 PMT1 双光栅光谱仪 PMT2

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59 探测大气温度的Rayleigh激光雷达 探测原理
30 km~100 km大气气溶胶含量甚微，大气回波Ns (z)基本上是分子瑞利后向散射信号 已知某一参考高度Z0上大气密度 , 可求得大气密度廓线 ：

60 结合理想气体状态方程和大气静力学方程, 已知某一参考高度Z0上大气温度T(Z0 ) 求得温度廓线T(z):

61 合肥地区典型的平流层温度垂直廓线

62 2008年下半年合肥地区20－65km大气温度平均廓线

63 Doppler 激光雷达探测大气风场 Vr：Radial wind speed λ： Laser wavelength
∆ ： Doppler frequency shift

64 中心 n 1 2 L 基于双边缘技术的多普勒测风激光雷达原理

65 测量的双F-P标准具透过率曲线

66 参数名称 参数值 探测体制 FP标准具双边缘技术 系统平台 地基 激光波长 1064nm 探测对象 大气气溶胶 径向风速动态范围 -50m/s~50m/s 探测距离 0.2km~10km 距离分辨率 0.2km (0.2km~2km) 0.5km (2km~10km) 径向速度测量精度 2m/s(<10km) 扫描范围 36090 水平风场分布数 10min/profile

67 241.9m3 Scanner Laser Controller Receiver Telescope 测风激光雷达的外部和 内部照片

68 Wind profiler with Microwave Radar

69 Doppler激光雷达与微波雷达（Airdsa 1600 ）测量风廓线的对比