氣溶膠激光雷達工作原理

氣溶膠雷達" target="_blank">激光雷達的工作原理主要包括以下幾個方面：

激光發(fā)射：激光雷達通過激光器發(fā)射激光脈沖。

大氣散射：激光束在大氣中遇到氣溶膠和其他成分時會產(chǎn)生后向散射信號。

信號接收與處理：系統(tǒng)中的探測器接收這些后向散射信號，并進行處理分析。

信息提?。和ㄟ^對接收到的信號進行分析，可以獲得大氣物理要素的相關(guān)信息，如氣溶膠濃度、顆粒物大小等。

具體來說，激光雷達通過向大氣中發(fā)射激光脈沖，然后接收由氣溶膠及其他成分散射回來的信號。這個過程類似于雷達系統(tǒng)，但使用的是激光而不是無線電波。通過分析這些散射信號，科學家能夠獲取關(guān)于大氣中氣溶膠分布的信息，這對于研究氣候變化、污染控制等領(lǐng)域具有重要意義。

一、概述

氣溶膠激光雷達又稱為激光散射雷達，是一種基于激光散射原理的大氣污染監(jiān)測技術(shù)。它能夠通過發(fā)射激光脈沖并接收被散射的反射光，從而實現(xiàn)對大氣中微小顆粒的測量和監(jiān)測。該技術(shù)的主要用途是監(jiān)測大氣污染、氣溶膠濃度和大小以及氣溶膠成分等。

二、工作原理

氣溶膠激光雷達的工作原理主要基于激光散射。激光散射是指激光束照射到物體表面后，由于物質(zhì)的粗糙度、密度、形貌的不同，使它發(fā)生不同程度的反射和散射。當激光束照射空氣中的微小顆粒時，這些微小顆粒對激光光束產(chǎn)生了散射。散射的光束會回到接收器，并隨著時間的推移，產(chǎn)生一組時間序列信號。

氣溶膠激光雷達的信號處理器對這些信號進行分析和處理，然后將它們轉(zhuǎn)換為氣溶膠在大氣中的濃度和大小等相關(guān)信息。

三、優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)的大氣微粒采樣技術(shù)，氣溶膠激光雷達有以下顯著優(yōu)勢：

1. 監(jiān)測速度快：氣溶膠激光雷達可以在較短時間內(nèi)對氣溶膠的濃度和大小進行監(jiān)測和測量，而傳統(tǒng)采樣技術(shù)需要進行大量的分析和測試。

2. 測量范圍廣：氣溶膠激光雷達可以在大氣層內(nèi)測量所有粒徑范圍的氣溶膠粒子，而傳統(tǒng)采樣技術(shù)則受到粒徑分級的限制。

3. 分辨率高：氣溶膠激光雷達可以提供高精度的測量結(jié)果，而傳統(tǒng)采樣技術(shù)受到環(huán)境干擾等因素的影響，測量結(jié)果可能會出現(xiàn)較大誤差。

激光雷達是一種可以精確、快速獲取地面或大氣三維空間信息的主動探測技術(shù)，應(yīng)用范圍和發(fā)展前景十分廣闊。以往的傳感器只能獲取目標的空間平面信息，需要通過同軌、異軌重疊成像等技術(shù)來獲取三維高程信息，這些方法與LiDAR技術(shù)相比，不但測距精度低，數(shù)據(jù)處理也比較復雜。正因為如此，LiDAR技術(shù)與成像光譜、合成孔徑雷達一起被列為對地觀測系統(tǒng)計劃中最核心的信息獲取與處理技術(shù)。激光雷達是將激光技術(shù)、高速信息處理技術(shù)、計算機技術(shù)等高新技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

激光雷達的工作原理

激光雷達是一種雷達系統(tǒng)，是一種主動傳感器，所形成的數(shù)據(jù)是點云形式。其工作光譜段在紅外到紫外之間，主要發(fā)射機、接收機、測量控制和電源組成。工作原理為：首先向被測目標發(fā)射一束激光，然后測量反射或散射信號到達發(fā)射機的時間、信號強弱程度和頻率變化等參數(shù)，從而確定被測目標的距離、運動速度以及方位。除此之外，還可以測出大氣中肉眼看不到的微粒的動態(tài)等情況。激光雷達的作用就是精確測量目標的位置(距離與角度)、形狀(大小)及狀態(tài)(速度、姿態(tài))，從而達到探測、識別、跟蹤目標的目的。

普通激光雷達光學掃描器部分

激光雷達的現(xiàn)狀及應(yīng)用

激光技術(shù)從它的問世到現(xiàn)在，雖然時間不長，但是由于它有：高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性等幾個極有價值的特點，因而在國防軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學衛(wèi)生和科學研究等方面都有廣泛的應(yīng)用。LiDAR技術(shù)在西方國家發(fā)展相對成熟，已經(jīng)投入商業(yè)運行的激光雷達系統(tǒng)(主要指機載)主要有Optech(加拿大)、TopSys(法國)和Leica(美國)等公司的產(chǎn)品。

1. 軍事方面的應(yīng)用

目前，在水雷探測激光雷達、化學試劑探測激光雷達、大氣監(jiān)測激光雷達、生化陸戰(zhàn)激光雷達等方面已經(jīng)有了很大的成就。另外，中國的攻擊激光雷達已經(jīng)相當?shù)南冗M，包含著世界最尖端的五大核心技術(shù)：激光材料研究的突破、激光輻射材料物理機理及成像圖譜研究的突破、一次性快速跟蹤定位控制技術(shù)的突破、高密度能量可逆轉(zhuǎn)換載體材料的突破、激光成像技術(shù)的突破。

2. 測風方面的應(yīng)用

多普勒測風激光雷達具有高分辨率、高精度、大探測范圍、能提供晴空條件下三維風場信息的能力。多普勒測風激光雷達利用光的多普勒效應(yīng)，測量激光光束在大氣中傳輸及其回波信號的多普勒頻移來反演空間風速分布。主要有相干(外差)探測和非相干(直接)探測兩種方式。

3. 氣象方面的應(yīng)用

我國已經(jīng)建立12個沙塵暴長期觀測站，首次形成全國性的沙塵暴監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。可以通過先進的觀測、模擬和衛(wèi)星遙感的聯(lián)合研究，查明中國沙塵暴發(fā)生的確切源地，科學地分辨氣象、氣候條件變化等自然因素和沙漠化土地增加等人為因素對沙塵暴的影響，為準確預(yù)警、預(yù)報沙塵暴，制定全面高效的防治計劃提供科學依據(jù)。

4. 醫(yī)學方面的應(yīng)用

美國能源部所屬的Oak Ridge國家實驗室開發(fā)出一種集成了激光和雷達系統(tǒng)的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以減輕燒傷病人的痛苦。研究人員希望這種同頻連續(xù)波激光雷達映射系統(tǒng)，可以從病人身體上去除壞死的皮膚和肌肉。這種新系統(tǒng)可以對燒傷病人的體表組織進行三維的激光雷達定位探測，以確定損害程度。利用探測定位結(jié)果，激光可以自動除去壞死的組織以利于新組織生長。

5. 水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用

目前，全國由于建設(shè)開發(fā)的影響，給水土流失治理帶來很大的難度，據(jù)調(diào)查，全國每年由于開發(fā)建設(shè)使水土流失面積達到1.00×104平方千米由以上。由于激光雷達在測量精度上比傳統(tǒng)方法測量結(jié)果要精細許多，更真實、可信;而且，可詳細反映所測場地的形態(tài)，輕松實現(xiàn)三維建模，從而真正實現(xiàn)了非接觸式測量，大大減少了外業(yè)工作量，降低了外業(yè)危險;并且可對開挖邊坡、崩崗、山體滑坡等許多形式的水土流失進行測量，使傳統(tǒng)水土保持走上“精耕細作”之路。