氣溶膠激光雷達(dá)工作原理

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

激光發(fā)射：激光雷達(dá)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(shí)會(huì)產(chǎn)生后向散射信號(hào)。

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

信息提取：通過對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)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(dá)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(hào)。這個(gè)過程類似于雷達(dá)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(hào)，科學(xué)家能夠獲取關(guān)于大氣中氣溶膠分布的信息，這對(duì)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(dá)又稱為激光散射雷達(dá)，是一種基于激光散射原理的大氣污染監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)大氣中微小顆粒的測(cè)量和監(jiān)測(cè)。該技術(shù)的主要用途是監(jiān)測(cè)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(dá)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(dāng)激光束照射空氣中的微小顆粒時(shí)，這些微小顆粒對(duì)激光光束產(chǎn)生了散射。散射的光束會(huì)回到接收器，并隨著時(shí)間的推移，產(chǎn)生一組時(shí)間序列信號(hào)。

氣溶膠激光雷達(dá)的信號(hào)處理器對(duì)這些信號(hào)進(jìn)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(shì)

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

1. 監(jiān)測(cè)速度快：氣溶膠激光雷達(dá)可以在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)氣溶膠的濃度和大小進(jìn)行監(jiān)測(cè)和測(cè)量，而傳統(tǒng)采樣技術(shù)需要進(jìn)行大量的分析和測(cè)試。

2. 測(cè)量范圍廣：氣溶膠激光雷達(dá)可以在大氣層內(nèi)測(cè)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(jí)的限制。

3. 分辨率高：氣溶膠激光雷達(dá)可以提供高精度的測(cè)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(cè)量結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)較大誤差。

激光雷達(dá)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(dòng)探測(cè)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(biāo)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(cè)距精度低，數(shù)據(jù)處理也比較復(fù)雜。正因?yàn)槿绱?，LiDAR技術(shù)與成像光譜、合成孔徑雷達(dá)一起被列為對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)計(jì)劃中最核心的信息獲取與處理技術(shù)。激光雷達(dá)是將激光技術(shù)、高速信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

激光雷達(dá)的工作原理

激光雷達(dá)是一種雷達(dá)系統(tǒng)，是一種主動(dòng)傳感器，所形成的數(shù)據(jù)是點(diǎn)云形式。其工作光譜段在紅外到紫外之間，主要發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、測(cè)量控制和電源組成。工作原理為：首先向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一束激光，然后測(cè)量反射或散射信號(hào)到達(dá)發(fā)射機(jī)的時(shí)間、信號(hào)強(qiáng)弱程度和頻率變化等參數(shù)，從而確定被測(cè)目標(biāo)的距離、運(yùn)動(dòng)速度以及方位。除此之外，還可以測(cè)出大氣中肉眼看不到的微粒的動(dòng)態(tài)等情況。激光雷達(dá)的作用就是精確測(cè)量目標(biāo)的位置(距離與角度)、形狀(大小)及狀態(tài)(速度、姿態(tài))，從而達(dá)到探測(cè)、識(shí)別、跟蹤目標(biāo)的目的。

普通激光雷達(dá)光學(xué)掃描器部分

激光雷達(dá)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(shí)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(gè)極有價(jià)值的特點(diǎn)，因而在國防軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)衛(wèi)生和科學(xué)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(duì)成熟，已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)行的激光雷達(dá)系統(tǒng)(主要指機(jī)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(cè)激光雷達(dá)、化學(xué)試劑探測(cè)激光雷達(dá)、大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)、生化陸戰(zhàn)激光雷達(dá)等方面已經(jīng)有了很大的成就。另外，中國的攻擊激光雷達(dá)已經(jīng)相當(dāng)?shù)南冗M(jìn)，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(jī)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(cè)風(fēng)方面的應(yīng)用

多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)具有高分辨率、高精度、大探測(cè)范圍、能提供晴空條件下三維風(fēng)場(chǎng)信息的能力。多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)利用光的多普勒效應(yīng)，測(cè)量激光光束在大氣中傳輸及其回波信號(hào)的多普勒頻移來反演空間風(fēng)速分布。主要有相干(外差)探測(cè)和非相干(直接)探測(cè)兩種方式。

3. 氣象方面的應(yīng)用

我國已經(jīng)建立12個(gè)沙塵暴長期觀測(cè)站，首次形成全國性的沙塵暴監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。可以通過先進(jìn)的觀測(cè)、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(xué)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(duì)沙塵暴的影響，為準(zhǔn)確預(yù)警、預(yù)報(bào)沙塵暴，制定全面高效的防治計(jì)劃提供科學(xué)依據(jù)。

4. 醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

美國能源部所屬的Oak Ridge國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出一種集成了激光和雷達(dá)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(dá)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(duì)燒傷病人的體表組織進(jìn)行三維的激光雷達(dá)定位探測(cè)，以確定損害程度。利用探測(cè)定位結(jié)果，激光可以自動(dòng)除去壞死的組織以利于新組織生長。

5. 水土保持監(jiān)測(cè)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(dá)到1.00×104平方千米由以上。由于激光雷達(dá)在測(cè)量精度上比傳統(tǒng)方法測(cè)量結(jié)果要精細(xì)許多，更真實(shí)、可信;而且，可詳細(xì)反映所測(cè)場(chǎng)地的形態(tài)，輕松實(shí)現(xiàn)三維建模，從而真正實(shí)現(xiàn)了非接觸式測(cè)量，大大減少了外業(yè)工作量，降低了外業(yè)危險(xiǎn);并且可對(duì)開挖邊坡、崩崗、山體滑坡等許多形式的水土流失進(jìn)行測(cè)量，使傳統(tǒng)水土保持走上“精耕細(xì)作”之路。