激光雷達的研究起源于上世紀(jì)60年代末，起初主要用于軍用領(lǐng)域；自1995年正式實現(xiàn)商業(yè)化之后，在測繪、資源勘探等領(lǐng)域發(fā)揮了越來越多的作用；近年間盛行的 黑科技 無人駕駛技術(shù)的開發(fā)上，激光雷達更是核心技術(shù)之一；隨著技術(shù)的發(fā)展和完善，激光雷達的應(yīng)用范圍也越來越廣，其中環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域就是很重要的一個方面，可以用來測量顆粒物、臭氧、溫度和濕度的變化等等。

激光雷達的核心技術(shù)要素：

激光雷達主要由激光器、發(fā)射和接受光學(xué)系統(tǒng)、探測器、高速數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)分析軟件等部件組成，其核心技術(shù)在于穩(wěn)定可靠的激光器和性能優(yōu)良的反演算法。激光器單脈沖能量大小直接決定了激光雷達的探測高度。保證激光器單脈沖能量，能夠有效保證系統(tǒng)信噪比，實現(xiàn)理想高度的探測。

激光雷達環(huán)境監(jiān)測原理概述：

激光雷達（LIDAR：Light Detection and Ranging）是利用Nd:YAG激光器出光打到大氣中，通過測量激光打到顆粒物或者氣體分子上的后向散射光的消光比或者偏振狀態(tài)變化，從而分析出大氣中的顆粒物或氣體成分，以及它們的分布高度、濃度等情況。

激光雷達按照探測介質(zhì)不同，可分為：

1氣溶膠雷達

Nd:YAG激光器發(fā)射355nm和532nm兩種波長的激光，激光打到顆粒物上面產(chǎn)生后向散射光，通過望遠鏡收集這兩種波長的激光，得到355nm波長激光的消光信號變化和532nm波長激光的垂直偏振和水平偏振的消偏信號變化，再由軟件分析處理，即可識別顆粒物（沙塵、水云、冰云、PM10等污染物）的種類、濃度、邊界層高度等信息以及隨時間的變化情況

氣溶膠激光雷達示意圖顆粒物隨位置的變化

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2臭氧雷達

臭氧是氧的同素異形體，在常溫下，它是一種有特殊臭味的淡藍色氣體。當(dāng)它在距離地面10公里－50公里的高空時，臭氧能吸收紫外線，保護地球上的生物。但一旦臭氧到了距離地面10到100米左右的近地面層，就會變成 健康殺手 ，對臭氧的檢測和治理也是刻不容緩。

臭氧雷達系應(yīng)用差分吸收原理，通過高能Nd:YAG激光器發(fā)射266nm的紫外脈沖激光，其中一束位于臭氧氣體的吸收線上，另一束位于吸收線之外，組成一對探測波長。266nm激光通過拉曼管后產(chǎn)生289nm、299nm和316nm三個波長激光，266nm和289nm、289nm和299nm、299nm和316nm一共組成3個波長對，分別對應(yīng)不同的探測高度和探測時間（白天或夜晚）。每一個波長對的其中一個波長位于臭氧吸收較強的位置，而另一個波長位于臭氧吸收很弱或物吸收的位置，利用臭氧對這兩個激光波長的吸收差別（兩種波長光信號的消光比），確定兩個脈沖激光共同路徑上臭氧的濃度，從而實現(xiàn)對臭氧時空分布的探測。

臭氧激光雷達示意圖臭氧濃度伴隨高度的測量結(jié)果

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3測風(fēng)雷達

測風(fēng)激光雷達，按照工作體制分類，可以分為相干探測和直接探測兩種方式。伴隨光纖激光器的出現(xiàn)，市場現(xiàn)在主要偏向基于1550nm人眼安全激光相干探測原理進行測風(fēng)激光的研究。相干探測是通過對回波信號的多普勒頻移進行測量得到風(fēng)速的變化，與直接測量不同的是，相干探測是將信號光與本振光進行相干混頻，混頻的信號光進行到探測器，通過探測器中的中頻濾波得到移頻信號，從而得到風(fēng)速的變化信息。

主要原理：單頻窄線寬1550nm激光，通過分束器后分成二束光，一束作為本振光，用于和接收到的回波激光進行光混頻；另外一束通過聲光頻移調(diào)制后，形成頻移的脈沖信號光，經(jīng)過脈沖激光放大器后，產(chǎn)生高能量的脈沖激光通過光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射到空中。光信號探測模塊接收回波激光與種子光分束的本振光，通過混頻效應(yīng)，轉(zhuǎn)換成電信號，電信號經(jīng)過放大、濾波后送往后續(xù)信號處理單元，再經(jīng)過軟件反演算法處理，終可得到風(fēng)向、風(fēng)速等信息、圖像或風(fēng)場結(jié)構(gòu)。

相干探測測風(fēng)雷達結(jié)構(gòu)示意圖風(fēng)向與風(fēng)速測量結(jié)果圖

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注：部分文字來源：儀器信息網(wǎng)

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