遥感
激光大气遥感测量作为现代环境监测和气象研究的重要手段，通过激光与大气成分的相互作用实现了对气溶胶、温室气体和气象要素的高精度、高时空分辨率探测。
1.激光大气遥感测量的基本原理
激光大气遥感测量技术基于激光与大气成分的相互作用机制，通过分析后向散射光信号反演大气特性参数。当激光脉冲在大气中传输时，会与气体分子、气溶胶粒子等发生多种相互作用，主要包括弹性散射（如瑞利散射和米散射）、非弹性散射（如拉曼散射）和吸收效应。这些相互作用过程携带了大气成分的浓度、分布和运动状态等信息，通过接收和分析回波信号，可以实现对大气环境的高精度遥感探测。
激光大气遥感系统通常由激光发射单元、光学接收单元、信号采集与处理单元三大部分组成。激光发射单元产生高重频、窄脉宽的激光脉冲，经扩束镜调整发散角后射向大气；光学接收单元采用大口径望远镜收集后向散射光，通过窄带滤光片抑制背景光干扰；信号采集系统使用光电倍增管（PMT）或雪崩光电二极管（APD）将光信号转换为电信号，经高速数字化后传输至计算机处理。现代激光雷达系统还配备扫描装置和GPS/INS定位模块，实现三维立体探测和移动平台集成。
2.激光大气遥感技术的特点
高时空分辨率：时间分辨率可达分钟级甚至秒级，空间分辨率垂直方向约3～30m，水平方向可达米级。
大探测范围：地基系统可覆盖0.1～30km高度，星载系统实现全球覆盖。
多参数同步探测：单系统可同时获取气溶胶光学特性、浓度、温度、风场等多维信息。
主动遥感能力：不依赖太阳辐射，可实现昼夜连续观测。
激光与大气主要相互作用机制及应用：
作用类型 | 物理过程 | 典型应用 | 探测参数 |
瑞利散射 | 分子弹性散射（λ不变） | 高层大气密度、温度 | 大气密度、温度剖面 |
米散射 | 气溶胶/云粒子散射（λ不变） | 气溶胶垂直分布、边界层 | 消光系数、后向散射系数 |
拉曼散射 | 分子非弹性散射（λ位移） | 水汽、温度剖面 | H₂O混合比、大气温度 |
差分吸收 | 分子选择性吸收 | 痕量气体浓度分布 | O₃、SO₂、CH₄柱浓度 |
多普勒效应 | 运动粒子频移 | 三维风场测量 | 风速、风向 |
3.激光大气遥感的主要技术挑战
背景光干扰：白天太阳辐射导致信噪比显著下降，需采用窄带滤光片（带宽<1nm）和时间门控技术抑制。
信号衰减：大气消光（散射和吸收）使回波信号随距离急剧减弱，高能激光器和高效接收系统是关键。
几何重叠：近场盲区（通常50～300m）问题需通过光学设计优化减小。
反演不确定性：复杂条件下信号解译存在多解性，需结合先验知识和多源数据验证。
随着激光技术、光电探测和信号处理技术的进步，激光大气遥感不断突破性能极限。高光谱分辨率激光雷达（HSRL）通过原子或Fabry-Perot标准具精确分离瑞利-米散射信号，显著提高了气溶胶反演精度。多波长激光雷达系统（如355nm、532nm、1064nm组合）通过探测不同波长散射信号的差异，实现气溶胶粒径分布和折射率等微物理特性反演。
4.激光大气遥感的分类
激光大气遥感技术根据探测原理和应用目标的不同，发展出多种各具特色的技术路线，形成了一套完整的分类体系。
4.1 差分吸收激光雷达（DIAL）
差分吸收激光雷达（DIAL）技术利用目标气体分子在激光波长上的选择性吸收特性进行浓度分布测量。系统交替发射两个波长相近的激光脉冲：一个波长（λon）位于目标气体的强吸收线，另一个波长（λoff）位于弱吸收或非吸收区域。通过比较两个波长回波信号的差异，结合吸收截面参数，可反演气体浓度随距离的分布。
4.2 米散射激光雷达
米散射激光雷达是最常见的激光大气遥感系统，通过探测气溶胶和云粒子对激光的弹性散射信号，反演大气光学特性和边界层结构。与DIAL系统不同，米散射激光雷达通常采用固定波长（如532nm），系统结构相对简单，适用于长期连续观测。
4.3 拉曼激光雷达
拉曼激光雷达通过探测大气分子振动－转动拉曼散射信号（波长位移）实现温度、水汽和气溶胶特性测量。与弹性散射相比，拉曼散射截面小6～10个数量级，需要高能激光器和高效接收系统。
4.4 高光谱分辨率激光雷达（HSRL）
高光谱分辨率激光雷达通过极窄带光学滤波器（带宽<0.1pm）分离气溶胶米散射（宽带）和分子瑞利散射（窄带）信号，直接测量气溶胶消光系数和后向散射系数，避免了传统方法中消光－后向散射比（雷达比）假设引入的不确定性。
4.5 多普勒激光雷达
多普勒激光雷达通过检测气溶胶运动导致的激光频率偏移（多普勒效应）测量三维风场。根据探测原理可分为相干探测（外差）和直接探测两类。
4.5.1 相干多普勒激光雷达：
采用连续波或脉冲激光（通常1.5-2μm），本振光与回波光混频产生中频信号
通过频谱分析确定多普勒频移，精度可达0.1m/s
适合边界层风场测量（0.1～3km），但无法探测清洁大气（缺少气溶胶）
4.5.2直接探测多普勒激光雷达：
使用高光谱分辨率滤波器（如Fabry-Perot干涉仪）直接分析回波光谱可同时探测气溶胶和分子散射，扩展了可测高度范围。
激光雷达类型 | 探测参数 | 典型波长 | 垂直分辨率 | 探测范围 | 主要优势 |
米散射雷达 | 气溶胶、云 | 532nm | 3-30m | 0.1-15km | 结构简单，稳定 |
DIAL | 痕量气体 | 紫外-红外 | 30-100m | 0.1-10km | 高特异性，定量准 |
拉曼雷达 | 水汽、温度 | 355/532nm | 30-100m | 0.1-8km | 直接测量，多参数 |
HSRL | 气溶胶特性 | 532nm | 7.5-30m | 0.1-20km | 直接反演消光系数 |
多普勒雷达 | 三维风场 | 1.5/2μm | 10-100m | 0.1-30km | 风场直接测量 |
5.激光大气遥感的应用领域
激光大气遥感技术凭借其高精度、高时空分辨率和多参数同步探测能力，在气象预报、环境监测、气候研究和军事应用等领域发挥着不可替代的作用。随着技术进步和应用需求增长，激光雷达观测已成为现代大气科学研究和业务观测系统的重要组成部分。
5.1 大气环境监测
5.1.1 气溶胶与颗粒物监测
通过米散射、瑞利散射等原理，激光雷达可实时监测大气气溶胶的垂直分布、浓度及粒径，为雾霾、沙尘暴等污染事件提供数据支持。
532nm脉冲激光器用于大气气溶胶检测（EO-532-H）
5.1.2 温室气体探测
拉曼激光雷达，激光器波长355nm，激发氮气（387nm）和水汽（408nm）的拉曼信号，实现温湿度同步探测。
气溶胶和温湿度同步测量(LPS-355-100mJ)
5.2 气象与气候研究
激光雷达通过多普勒效应或荧光激发高空钠原子层的共振荧光信号，通过接收回波信号反演大气参数，服务于天气预报、航空安全及气候模型优化。
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589nm激光器用于钠荧光多普勒激光雷达（HPL-589-Q）
5.3 生态与资源调查
5.3.1 碳循环与生态监测
监测陆地生态系统碳储量及重大生态工程效果，大气碳循环监测。
DPS-1064 532-BS-D | FL-1550-AO |
355/532/1064/1550nm脉冲激光器用于气溶胶与植被协同监测，碳储量三维建模
5.3.2 海洋与极地探测
532nm绿激光可穿透水汽水体，用于大气及海洋等环境探测中的颗粒物遥感研究。
532nm微片激光器用于海洋环境探测（MPL-T-532）
5.4 城市与工业应用
5.4.1 三维建模与智慧城市
激光雷达扫描建筑、地形，生成高精度三维模型，应用于城市规划、交通管理等。
532nm脉冲激光器用于测距和地型测绘
5.4.2 工业污染源追踪
实时监测工厂排放的污染物扩散路径，结合自适应光学技术提升数据精度。
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DFB激光器 | 3-12μm量子级联激光器SO2、NOx等检测 | 532nm/785nm窄线宽激光器 | 650nm/780nm激光器 |
6.激光大气遥感技术的发展趋势
激光大气遥感技术在科学研究和实际工程中有广泛的价值。随着技术进步，未来其覆盖范围和精度还将进一步扩展，例如：
多参数融合探测：从单波长向多波长、多参量发展，提升数据维度。
星地协同网络：卫星与地基激光雷达联合观测，实现全球覆盖。
量子技术突破：如阿瓦级灵敏度光子计数技术，突破湍流干扰极限。
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