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发信人: zhangkx (木鱼子), 信区: Physics
标 题: 日本大气激光雷达技术的进展[物理系文献]
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年10月08日18:29:38 星期一), 站内信件
第２９卷 第３期 激光与红外Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．３ １９９９年６月
ＬＡＳＥＲ＆ＩＮＦＲＡＲＥＤＪｕｎｅ，１９９９
日本大气激光雷达技术的进展
杨 洋 乔立杰 张小富 王晓鸥
（哈尔滨工业大学应用物理系，哈尔滨１５０００１）
摘 要 介绍了当今日本等国在有关大气测量中运用激光雷达技术所完成的工作及该领
域激光雷达技术的发展动态，提出了今后激光雷达技术在
大气测量中的发展趋向。
关键词 激光雷达，米氏散射，差分吸收，大气测量。
Ｔｈｅｊｏｂｗｈｉｃｈａｒｅｃｏｍｐｌｅｔｅｄｕｓｉｎｇｌｉｄａｒｔｅｃｈｎ
ｉｑｕｅｉｎｍｅａｓｕｒｉｎｇａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ
ａｎｄｐｒｏｇｒｅｓｓｔｒｅｎｄｓｏｆｌｉｄａｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｎｔｈｉ
ｓｆｉｅｌｄｏｆＪａｐａｎａｎｄｏｔｈｅｒｃｏｕｎ
ｔｒｉｅｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄｐｒｏｇｒｅｓｓｔｒｅｎｄｓｏｆｌ
ｉｄａｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｎｍｅａｓｕｒｉｎｇａ
ｔｍｏｓｐｈｅｒｅａｒｅｃｏｎｃｌｕｄｅｄ．
ｌｉｄａｒ，Ｍｉｅ－ｓｃａｔｔｅｒ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌａｂｓｏｒｐｔ
ｉｏｎ，ｍｅａｓｕｒｉｎｇａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ．
１ 引 言八十年代后期随着激光器技术取得了关键性地突破，推动了激光技术的发展
。一批新型雷达以峰值功率高，重复频率快，体积小，波
长范围广等诸多特色进入军事，环测，导航等众多领域。世界上英美日德等国围绕这一
领域开展多项研究工作。本文将根据日本等国近年来在大
气测量领域利用激光雷达所开展的工作来反映其激光雷达技术的进展。
２ 米氏散射激光雷达图１所示是日本近年来开发的用于测试大气中烟尘
的米氏散射雷达。这一系统是使用闪光灯泵浦的Ｈｏ燊ＹＡＧ固体激光器。波长为２．
１μｍ，使用Ｑ开关其最大脉冲能量为３０ｍＪ，脉宽
２００ｎｓ，最大重复频率为１０Ｈｚ，且脉冲能量从５ｍＪ～３０ｍＪ，脉宽１００
ｎｓ～３００ｎｓ连续可调，用１０倍扩束装置将光束扩
至２０ｍｍ，并通过直径为３００ｍｍ的望远镜收集大气中的散射光。探测器为常温下
接收，其受光面直径为１ｍｍ的ＩｎＧａＡｓＰＩＮ光电
二极管，望远镜接收视角为１．７ｍｒａｄ，放大器为带宽１０ＭＨｚ，增益为８０ｋ
Ｖ燉Ａ的电流增幅型。散射光的电压信号是通过采积卡进
行Ａ燉Ｄ转换及累计处理后被送入计算机。装置是通过计算机控制，最小刻度为０．１
度的步长角全天扫描，该系统由于所用光源波长为２．１
μｍ，其优点除对人眼安全外，与ＣＯ２激光（１０．６μｍ）相比具有后向散射面大
，利于扩大测量距离等优点。而与Ｎｄ燊ＹＡＧ２倍频
（０．５３２μｍ）激光相比，它对大气分子瑞利散射的散射截面积只相当０．５３２
μｍ的１燉２００，因此，大气中对烟尘的散射信号自然
成为所有散射信号的主体。日本筑波大学等单位利用此装置于１９９５年８月对东京都
上空低层大气的烟尘的相对浓度进行了测定，得到了高度
在１２００ｍ处为一界面，在该界面以下浓度大，而在该面以上浓度明显变小的一系列
有价值的结论。日本信州大学的小林启二等人还利用类似
的雷达系统对因菲律宾火山爆发在长野市上空平流层内烟尘分布进行了长达３年零２个
月的测量，同样得出许多有意义的结果。
３ 差分吸收激光雷达（ＤＩＡＬ）ＤＩＡＬ是利用激光被气体分子的吸收及被气溶胶
、大气分子的后向散射两方面的作用效果而设置的。它的
最重要的应用是对空气污染物质及水蒸气的空间的分布进行远距离测量。利用ＤＩＡＬ
进行测量时，其激光器可发出两种波长不等的光，其中一
个波长调到待测物质的吸收谱线（λｏｎ），而另一波长调到谱线上吸收系数较小的边
翼（λｏｎ）然后以高重复率将两种波长交替地发射至大
气中。图２是由日本国立环境研究所研制开发的为测量城市内ＮＯ２分布的ＤＩＡＬ装
置的方框图。该系统采用ＹＡＧ激光泵浦染料激光器作光
源，输出能量为２０ｍＪ，并对吸收谱线在０．４５０μｍ的ＮＯ２进行实验，激光以
１０Ｈｚ的重复频率交替地将两波长发射出去，对ＮＯ２
的高度分布的日变化进行了测量。除此之外，该课题组还在可见光及近紫外线领域内对
ＳＯ２、臭氧、水银原子、ＮＯ等分布进行了测量。
４ 臭氧激光雷达日本环境厅国立公害研制所的杉木伸夫等人自１９８８年开始了对大
气臭氧层的分布进行测量，并研制了专为测量臭氧分布的
臭氧激光雷达，如图３所示。该系统的原理与差分吸收雷达相近，但不同点在于该系统
分为两个子系统，而每个子系统的光源可发出三种不同波
长的光。其中用于平流层测量的光源是由ＸｅＣ１激光器，ＸｅＦ激光器及重氢喇曼散
射激光器所产生的０．３０８μｍ，０．３５１μｍ，
０．３３９μｍ组合而成，而用于对流层测量光源则是由ＫｒＦ激光器及氢气，重氢喇
曼散射激光器所产生的０．２７７μｍ，０．３１３μｍ，
０．２９２μｍ三种波长组合而成。在这６个波长中由于臭氧对０．３３９μｍ和０．
３５１μｍ两波长光的吸收几乎可忽略不计，因此适于对
高空（平流层）进行测量。一个系统使用三种波长是希望能以其中之一波长信号中得到
烟尘散射与波长关系的情报，从而可对系统误差加以修正。
该系统向平流层发射三种波长的激光的同时还向对流层发射另三种波长的激光。为了使
发向高空和低空的信号不重合，在设计上要求两个子系统
的记时时刻及重复频率不同。且为了使高空子系统去除来自附近的强干扰信号有意地使
用斩波器。图３中望远镜直径为２ｍ的子系统是用来测平
流层臭氧的；而另一直径为０．５６ｍ的子系统则是用来测对流层的。杉本伸夫等人利
用该系统得到了平流层及对流层臭氧随高度分布的详细情
况。上述各类激光雷达中日本环境厅国立公害所研制的臭氧激光雷达具有两套子系统及
每个子系统可发出三种不同波长光的设计构思具有很高的
独创性，它是在差分激光雷达基础上产生出来的，是目前测量臭氧分布的最具有代表性
的激光雷达系统。而本文所提到的米氏散射激光雷达中波
长为人眼安全的固体激光器、采集卡及用计算机控制扫描等技术的采用显示了系统的先
进性，并预示了这一领域的发展趋向。５ 今后的发展趋
向从六十年代激光雷达的首次应用到现在，激光雷达已开始进入实用化阶段。日本等国
围绕这一领域在应用激光雷达开展大气研究，进而开展环
境监测、天气预报等方面工作，取得了许多优异成绩，被世人所瞩目，同时也促进了这
些国家的激光雷达技术的发展。根据现有技术的发展状况
可推出今后适于测量大气的激光雷达的发展趋向如下：
５．１ 星载激光雷达将得到应用由于星载激光雷达具有测量区域广、精度高且激光能
量损耗小等诸多优点，因此它在下一世纪将被用于大气测
量中。日本计划２００１年将随Ｈ－Ⅱ卫星发射第一个星载激光雷达，称为ＥＬＩＳＥ
。目的是进行全球气溶胶、云和星际边界层测量。ＥＬＩ
ＳＥ计划获取大量有价值的数据解释在热带和亚热带地区的云和气溶胶的气象现象，预
见由于全球变暖问题引起的气候变化。此外２０００年后
欧航局探险者九项任务之一的大气动力学研究计划中也希望利用星载测风激光雷达有效
地改善目前风场观测系统。美国相干公司目前也正在为研
制和设计星载大气风场测量相干激光雷达而进行前期准备工作。
５．２ 相干激光雷达还将进一步得到发展由于相干探测具有很高的探测信噪比及可完
成测速等功能，因此相干激光雷达在近十几年得到较快发
展，并将在今后大气测量中继续得到广泛应用。这其中包括对丘陵风场、山谷环流、海
风结构、雷瀑雨流动和高度对流波的测量。但由于一些关
键技术尚需完善和提高，因此目前美国、德国、俄罗斯、日本、法国等很多国家都在围
绕这一领域开展研究工作。
５．３ 激光雷达关键技术将得到提高随着机械、星载及相干激光雷达技术的发展要求
，一些激光雷达关键技术将得以发展和提高。体积小、质
量轻、激光波长对人眼安全、高能量及半导体泵浦的激光雷达系统将成为今后的主流。
与此同时在信号处理方面，小波等处理方法将被广泛加以
运用。
参 考 文 献
［１］中根英昭 レザ燈レダによる成层圈オゾの测定 化学工学 ９０［５４］
２：１１４～１１５
［２］杉木伸夫 レザレダ（ライダ）による大气の计测レザ研究 １９９
１［１９］８：５４～５５
［３］松井一郎 大气环境监视用ＹＡＧライダの现状と动向 レザ研究 ９３［
２］８：８２～８３
［４］杉木伸夫、世野泰弘等 成层圈すよび对流圈オゾン铅直分布の测定を目的とす
る多波长オゾンレザレダの制作应用物理 １９
８９［５８］９：１３８６～１３９１
［５］中岛勇人、山本贵史等 アイヤフレザに大气环境计测レザ研究 １９９
７［２５］１：５０～５１
［６］竹内延夫 レザを用いた宇宙からの大气观测 レザ研究１９９６［２４］
１２：２０
［７］小林启二、齐藤保典等 长野市上空のピナトツウ火山喷火によゐ成层圈エアロ
ソルのライダ观测 レザ研究 １９９７［２５］１：
５５～５０
杨 洋 男，副教授，目前主要从事激光雷达目标特性的研究工作，曾在国内外刊物上
发表论文近４０篇。现在哈尔滨工业大学攻读硕士学位。
本刊于１９９８年９月收到，１９９９年１月收到修改稿
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