自60年代激光問(wèn)世以來(lái)，由于這一新型光源具有單色性好、相干性強(qiáng)、方向性高以及大能量、大功率等特點(diǎn)，其在軍用、民用以及醫(yī)療等各個(gè)方面受到越來(lái)越廣泛的重視和應(yīng)用，尤其是1965年以后激光雷達(dá)和激光測(cè)云儀的出現(xiàn)，使得激光在探測(cè)煙、塵、大氣渾濁度等大氣污染以及環(huán)境監(jiān)測(cè)研究、大氣溫、濕、壓、風(fēng)等氣象要素和大氣成分、探測(cè)云霧、降水和能見(jiàn)度以及高層大氣等方面，都取得了很大的進(jìn)展，強(qiáng)有力地推動(dòng)了激光大氣探測(cè)的發(fā)展。無(wú)論是環(huán)境監(jiān)測(cè)，還是氣象探測(cè)都與激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用息息相關(guān)，其探測(cè)原理均可借助于激光雷達(dá)的探測(cè)原理來(lái)說(shuō)明。下面首先簡(jiǎn)要介紹一下激光雷達(dá)技術(shù)。

1．激光雷達(dá)技術(shù)
常用于大氣探測(cè)的脈沖激光雷達(dá)，具有與微波氣象雷達(dá)相似的探測(cè)原理。發(fā)射激光在大氣中傳播遇到大氣分子以及諸如煙、塵、云霧之類的氣溶膠時(shí)，將發(fā)生彈性散射、非彈性散射和吸收等物理過(guò)程。其中后向散射部分被脈沖激光雷達(dá)作為回波信號(hào)而接收，它包括強(qiáng)度、頻率、相位、偏振等因子，成為激光大氣探測(cè)的有效信息。

1.1 激光雷達(dá)基本原理
發(fā)射機(jī)發(fā)射一束一定功率的激光束,經(jīng)過(guò)大氣傳輸輻射到目標(biāo)面上,目標(biāo)面反射回來(lái)的回波由接收機(jī)接收,再由信號(hào)處理提取回波中的有用信息。
激光雷達(dá)系統(tǒng)性能分析的基本問(wèn)題是:在一定的發(fā)射功率下,受環(huán)境因素、系統(tǒng)參數(shù)的影響,確定接收端的接收功率、信噪比。
經(jīng)典的激光雷達(dá)距離方程通用形式為回波信號(hào)功率； 為激光器發(fā)射功率； 是源到目標(biāo)的大氣傳輸系數(shù)； 為發(fā)射光學(xué)設(shè)備效率； 為束散角； 是發(fā)射機(jī)到目標(biāo)的距離； 為目標(biāo)激光截面； 為目標(biāo)到接收機(jī)的大氣傳輸系數(shù)； 是目標(biāo)到接收機(jī)的距離； 為接收孔徑； 為接收光學(xué)設(shè)備效率。
制約激光雷達(dá)性能的約束條件主要有:1) 激光器的輸出功率;2) 工作波長(zhǎng)和帶寬;3) 目標(biāo)特性;4) 大氣傳輸條件;5) 接收機(jī)靈敏度;6) 探測(cè)器指標(biāo);7)距離;8) 噪聲等。

1.2 激光雷達(dá)的應(yīng)用
激光雷達(dá)除具有測(cè)距功能外，還具有目標(biāo)指示、目標(biāo)精確跟蹤和測(cè)定風(fēng)的功能。目前有激光測(cè)距指示器，激光測(cè)距跟蹤器兩類多功能激光雷達(dá)。激光雷達(dá)多被用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，通過(guò)分析激光的回波信號(hào)從而得到大氣物理特征。激光波長(zhǎng)位于光波段，典型值為1um左右，這與煙塵等大氣氣溶膠粒子的尺度相當(dāng)，加上探測(cè)器的探測(cè)靈敏度較高，因而激光探測(cè)煙、塵等微粒具有很高的探測(cè)靈敏度。激光雷達(dá)所接收的大氣回波信息，包含了大氣散射光的光強(qiáng)、頻率、相位和偏振等多種信息。利用其可探測(cè)多種大氣物理要素，其優(yōu)勢(shì)是其它探測(cè)手段所不能比擬的。

1.2.1 可用于消光系數(shù)和大氣透過(guò)率及能見(jiàn)度的測(cè)量
利用大氣中粒子的后向散射，根據(jù)激光雷達(dá)測(cè)量提供的激光信號(hào)回波電壓和測(cè)試距離信息解算出指定距離上的消光系數(shù)。通過(guò)測(cè)量的大氣消光系數(shù)反演計(jì)算出指定距離上的大氣透過(guò)率。目前國(guó)內(nèi)外已有相應(yīng)的激光雷達(dá)和能見(jiàn)度測(cè)量?jī)x等設(shè)備對(duì)大氣透過(guò)率及能見(jiàn)度進(jìn)行測(cè)量，亦可借助于透過(guò)率和能見(jiàn)度二者之間的關(guān)系，進(jìn)行相互反推。

1.2.2 激光雷達(dá)的窄波束特點(diǎn)適合于目標(biāo)精確跟蹤
典型的CO2外差激光雷達(dá)為收發(fā)合置光路系統(tǒng)，接收和發(fā)射有相同的孔徑。有效波束很窄，可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確的跟蹤。

1.2.3 激光雷達(dá)的高分辨率有利于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和確認(rèn)
目標(biāo)表面的子區(qū)可以通過(guò)角度、距離或速度測(cè)量來(lái)分辨。這些分辨性的測(cè)量可測(cè)出特定目標(biāo)的獨(dú)特特征。這些獨(dú)特的特征包括：形狀、體積、速度、自旋或轉(zhuǎn)動(dòng)速率及振動(dòng)等。正是基于激光雷達(dá)探測(cè)的以上諸多優(yōu)點(diǎn)，使得激光在大氣測(cè)量方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，下面簡(jiǎn)要概述其在大氣遙感測(cè)量諸多方面的應(yīng)用。

2．激光大氣測(cè)量應(yīng)用概述
激光通過(guò)Mie散射可以遙測(cè)煙、塵，這時(shí)回波信號(hào)較強(qiáng)，它是激光雷達(dá)最廣泛的一種應(yīng)用。激光雷達(dá)其主要是利用散射來(lái)提供大氣中的各種氣象信息，并用于環(huán)境監(jiān)測(cè)研究，其包括大氣的消光系數(shù)及后向散射系數(shù)、氣溶膠模式、大氣能見(jiàn)度、大氣懸浮顆粒和浮云狀物的結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的距離分辨測(cè)量、臭氧和水蒸氣等微量氣體的散布情況、對(duì)流層氣體以及空氣密度和溫度等 。利用Raman散射法和吸收光譜法，激光可以遙測(cè)污染氣體濃度和成分。故激光在大氣污染監(jiān)測(cè)、大氣污染擴(kuò)散規(guī)律的研究等方面具有重要地位。其對(duì)城市規(guī)劃、山區(qū)廠礦的合理布局等具有很大的實(shí)用價(jià)值。低層大氣的激光回波，主要是大氣塵埃的貢獻(xiàn)，通過(guò)分析激光回波波形，可獲得大氣塵埃消光系數(shù)的分布，從而可得大氣空間渾濁狀況的時(shí)、空分布 。用激光探測(cè)溫、濕、壓等氣象要素來(lái)補(bǔ)充或代替常規(guī)的無(wú)線電探空儀法，一直是人們關(guān)注的問(wèn)題。激光探測(cè)可獲得這些要素幾乎同一時(shí)刻的空間分布廓線，并且可以頻繁地測(cè)得它們的時(shí)間變化，這對(duì)于我們研究和了解大氣中發(fā)生的許多過(guò)程有著重要的意義。激光探測(cè)濕度和密度實(shí)際上屬于大氣成分的探測(cè)范疇，即探測(cè)大氣水汽和含量比較穩(wěn)定的N2和O2，故較多地利用吸收光譜法和Raman散射法進(jìn)行探測(cè)。在30公里以上，大氣散射回波基本上由分子散射造成，其強(qiáng)度正比于大氣密度，只要由探空資料給出某一參考高度上的密度值，就能直接由回波強(qiáng)度精確地算出高空密度分布，根據(jù)這一原理，利用紅寶石激光器，已探測(cè)到直至90公里高度的大氣密度分布。激光探測(cè)云霧、降水和能見(jiàn)度。激光能夠提供一種不需要目標(biāo)物、單點(diǎn)探測(cè)水平能見(jiàn)度的客觀方法，還可以探測(cè)其它方法難以解決的斜視能見(jiàn)度問(wèn)題，這對(duì)飛機(jī)著陸、海上航行等極為有用。當(dāng)觀測(cè)目標(biāo)物和背景的亮度已確定的情況下，能見(jiàn)度主要取決于大氣透明度。水平大氣平均消光系數(shù)的激光探測(cè)，主要采用斜率法和回波特征法。斜率法是根據(jù)激光雷達(dá)方程，在大氣水平均一的假設(shè)下，由大氣回波所構(gòu)成的直線斜率，求取大氣水平平均消光系數(shù)，回波特征法則是根據(jù)水平大氣激光回波的半寬度和峰值距離等特征量與能見(jiàn)度的關(guān)系，求取大氣水平平均消光系數(shù)。此外，利用連續(xù)激光的大氣回波，探測(cè)大氣水平平均消光系數(shù)，亦有所設(shè)想。常用能見(jiàn)度來(lái)記錄主要的天氣狀況。能見(jiàn)度是指白天在地平線上主觀能夠看到一個(gè)顯著物的最大距離，或者在夜間主觀能夠看到中等亮度燈光的最大距離。這對(duì)飛行員或空中交通管理人員有意義。根據(jù)高層大氣激光回波的探測(cè)分析指出，在20公里附近，存在著氣溶膠回波的極大值，這也證實(shí)了平流層中Junge氣溶膠層的存在。目前，激光導(dǎo)星技術(shù)已逐漸發(fā)展成熟，其為遙感探測(cè)分析太陽(yáng)表面結(jié)構(gòu)并獲取指定路徑上的大氣湍流變化特征提供技術(shù)支撐，從而為自適應(yīng)光學(xué)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，相信在不久的將來(lái)，激光導(dǎo)星技術(shù)的發(fā)展成熟必將對(duì)遙感探測(cè)技術(shù)的發(fā)展起到很大的推動(dòng)作用。

3. 激光大氣測(cè)量的發(fā)展及展望
激光大氣探測(cè)，由于發(fā)射波長(zhǎng)在光波波段，（典型值約為1um），比微波波長(zhǎng)（典型的約為104um）要小幾個(gè)量級(jí)，而與煙塵等大氣氣溶膠的尺度相當(dāng)，加上光電探測(cè)器的靈敏度較高，因而激光探測(cè)這類氣溶膠具有很高的靈敏度。即使對(duì)于尺度更小的大氣分子，激光探測(cè)也能發(fā)揮作用；由于其具有很窄的脈寬（毫微秒量級(jí)）和很小的發(fā)散角（十分之幾毫弧度），從而決定了其具有米量級(jí)的空間分辨率，可測(cè)得大氣參量的空間精細(xì)結(jié)構(gòu)。所以激光是一種頗有前途的主動(dòng)遙感探測(cè)技術(shù)，尤其是在探測(cè)晴空大氣方面更有優(yōu)越性。然而由于大氣對(duì)激光的散射衰減比較強(qiáng)，從而使得其大氣探測(cè)距離和穿透深度受到限制。隨著激光大氣探測(cè)研究的進(jìn)展，星載激光雷達(dá)的探測(cè)研究近年來(lái)也很受重視。研究表明 ：星載激光雷達(dá)可以測(cè)云（云頂?shù)目臻g變化、薄卷云分布等）、測(cè)氣溶膠分布、測(cè)大氣成分、微量元素等等。此外，如Huffaker等人還提出用星載脈沖激光雷達(dá)測(cè)全球風(fēng)場(chǎng)，Smith等人提出用星載激光雷達(dá)通過(guò)吸收光譜法測(cè)對(duì)流層的溫、壓廓線等。星載激光探測(cè)可彌補(bǔ)氣象衛(wèi)星被動(dòng)遙感探測(cè)的種種不足，可獲得豐富的探測(cè)內(nèi)容。不久的將來(lái)，氣象衛(wèi)星將采用激光、微波等主動(dòng)遙感探測(cè)系統(tǒng)與可見(jiàn)、紅外和微波等被動(dòng)遙感探測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合的探測(cè)體系，獲得更為豐富和精確的氣象要素的空間分布，以滿足大氣科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用的需要。激光大氣探測(cè)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，有賴于許多激光探測(cè)技術(shù)問(wèn)題的解決，主要有以下三個(gè)方面。首先：要求解決激光器的變頻技術(shù)。目前正在研究各種原理的調(diào)諧激光器，如果該技術(shù)可成熟使用的話，則基于吸收光譜法原理的探測(cè)方法將得到迅速發(fā)展。若可調(diào)波長(zhǎng)范圍寬廣，則多波長(zhǎng)探測(cè)方法也可得到解決，這些將為激光探測(cè)打開(kāi)廣闊的前景。其次，要解決弱信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)。激光探測(cè)大氣成分和高層大氣等，往往接收的光信息十分微弱，而各種原因引起的噪聲則強(qiáng)烈影響激光探測(cè)的精度。因此必須深入探討如何通過(guò)技術(shù)措施和統(tǒng)計(jì)方法，獲得低信噪比條件下的有效光信息。第三是激光探測(cè)自動(dòng)控制和觀測(cè)資料的自動(dòng)數(shù)據(jù)處理，其是激光探測(cè)技術(shù)能否推廣使用的關(guān)鍵之一，應(yīng)發(fā)展快速模式轉(zhuǎn)換器（5兆赫以上），磁帶記錄和微小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理，從而獲得實(shí)時(shí)的觀測(cè)結(jié)果。

4．結(jié)論
本文簡(jiǎn)要介紹了激光雷達(dá)的基本原理及應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上，概述了激光在大氣遙感測(cè)量方面的應(yīng)用，最后給出了激光大氣遙感測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)和不足以及對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的展望。