大气激光雷达
激光雷达介绍
工作在红外和可见光波段的，以激光为工作光束的雷达称为激光雷达。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法按照探测的原理不同可以分为米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等激光雷达。
地球大气为人类生存和发展提供了非常重要的保障，研究该区域中的大气环境与物理和化学过程，对于航天、国防、人类生活以及地球生物圈的安全至关重要。
识风须追风
中高层大气研究关注的主要参数包括中性大气的密度、温度和风场、电离成分、微流星体、辐射场等。
“研究中高层大气的结构和变化特征对于理解发生在这个区域中的基本物理过程，保障航天器和航天活动的安全具有重要意义。”武汉大学教授易帆对《科学时报》记者说，“这些航天器在高层大气环境中能否正常工作，将直接影响通信中继、电视转播、导航定位等。近年来，平流层飞艇由于多用途和低能耗被称为‘多功能绿色航空器’，要保证其在节能条件下稳定运行，该高度上大气风场信息极为关键。因此，这一研究与人类生活密切相关。”
中高层大气的主要热源来自太阳的极紫外辐射和X射线对氧分子的加热以及高能粒子在大气层中的沉降。太阳活动剧烈时，高能粒子在大气层中沉降事件增加，这会加热高层大气并使之密度上升，从而增加低轨道飞行器的阻力并降低其轨道。此时如果飞行器不能及时变轨，将大大影响飞行器的使用寿命。对于低轨道飞行器来说，中高层大气的密度、成分温度和压力会影响到飞行器的轨道定位、轨道衰减速率和在轨寿命。
另外中高层大气也会影响到飞行器表面的温度和姿态控制，其化学组分——例如原子氧等——也有可能对飞行器造成化学损伤，另外，飞行器表面的辉光现象也与大气成分有关。所以，设计飞行器时，必须根据其飞行高度和飞行时间研究中高层大气对飞行器的影响，确定携带轨道修正推助器的质量，以及合适选用的表面材料和必要的防护措施。
仪器是利器
因为中高层大气离人类住居的地表较远，通常需采用无线电和光学遥感探测技术才能实现对其参数的测量。由于起步较晚，我国中高层大气激光雷达探测技术曾经十分薄弱。
“探测是中高层大气研究的基础和出发点，而我国缺乏大型探测设备和自主观测资料等因素，极大地限制了该学科的发展。”易帆说，“80km至100km高度范围的金属成分是流星消融的产物，其行为（结构和变化）反映了大气和太空的过渡区域中的物理特征。当前人们对金属成分的认识还很肤浅，许多问题都无法解释。”
由于中高层大气研究对大型仪器的依赖，我国中高层大气观测相对其他领域显得薄弱一些。
“对中高层大气重要参数，其中包括动力学参数（风速、温度、密度）、化学成分分布和大气辐射的研究都依赖观测仪器。国际上也存在同样的问题。这一领域很多一手资料都是近些年才积累起来的。” 中科院空间科学与应用研究中心研究员徐寄遥对《科学时报》记者说，“观测技术本身就是一个很大的研究课题。因此仪器研制也成为中高层大气研究的重要部分。”
大气激光雷达介绍
大气激光雷达顾名思义就是通过使用激光雷达来实现对大气的探测。国外通过激光雷达对大气进行检测开展的比较早，目前已建有多个激光雷达观测站，其中包括意大利那不勒斯观测站、美国激光雷达观测站、印度尼西亚斯马特拉岛观测站等。其中，美国对空基激光雷达在大气检测方面的应用较为成熟，1994 年9 月，美国利用“发现号”航天飞机搭载激光雷达发射成功，完成了世界上第一次激光雷达空间技术实验（Lidar Inspace Technology Experience，LITE）；又于2000年后发射了五颗搭载激光雷达仪器的卫星，为地球科学提供了大量的相关数据。俄罗斯研制了一种远距离地面的激光雷达毒气报警系统，这一系统是通过对气溶胶的特性研究获得的，通过对化学毒剂的实时探测，从而确定毒剂气溶胶云的离地高度、中心厚度以及斜距离等相关参数，从而为人们提供预警。此外，德国也研制出了一种可发出40 个不同频率激光的连续波CO2 激光雷达，可识别和探测9~11 μm 波段光谱能量的化学战剂，可为大气环境的检测提供有效的数据。与此同时，国内对激光雷达的应用和研究也在迅猛发展，20 世纪六七十年代，中国科学院大气物理所在周秀骥院士、吕达仁院士、赵燕曾研究员等主持下成功研制出了我国第一台米散射激光雷达，同时开展了有关云和气溶胶特性的探测工作。随着激光雷达在大气检测方面应用的不断发展，目前我国已经建立了 12个沙尘暴长期观测站。随着应用的不断扩大，国内已有许多单位开始运用激光雷达系统进行大气参数的探测研究，如安徽光学精密机械研究所、中国海洋大学、中国科学技术大学、上海光学精密机械研究所、武汉大学、兰州大学等。像国内某大气颗粒物监测激光雷达就采用波长532 nm线偏振激光对大气颗粒物进行遥感探测。雷达通过对532 nm垂直和水平偏振信号的探测，解析大气消光系数、退偏振比廓线、边界层高度、光学厚度等参数，进而可获取大气颗粒物时空分布特征、污染层时空变化、颗粒物输送和沉降等信息。
激光大气遥感是利用激光探测大气的技术和方法，是主动式大气遥感的一种类型，由这种散射波的强度、角分布和偏振特性以及它们对波长的依赖关系，可以反演大气气溶胶特性及其时空分布，并进而由气溶胶的不均匀结构或散射波的多普勒频移，测量大气湍流和平均风场。
散射法
主要有瑞利散射法、米散射法和拉曼散射法3种。激光在大气中的散射,主要是瑞利散射和米散射，它们均属弹性散射。由这种散射波的强度、角分布和偏振特性以及它们对波长的依赖关系，可以反演大气气溶胶特性及其时空分布，并进而由气溶胶的不均匀结构或散射波的多普勒频移，测量大气湍流和平均风场。另一种散射是拉曼散射，其散射截面比分子的瑞利散射弱3个量级，比气溶胶的米散射弱3～21个量级。拉曼散射的散射波长和入射波长不同，两者的光子能量之差和气体分子的固有能级相对应，因而分析拉曼散射光谱，可以判定大气中多种气体的成分及其混合比（见大气散射）。
吸收法
选择某种气体成分的一条特定吸收线，发射在吸收线上和线外的两种波长的激光，由这两种波长的激光在同一光路中大气衰减的差异，测出该种气体的绝对含量，这种方法称为差分吸收法。用这种方法测气体含量，灵敏度比拉曼散射法高4～5个数量级，可以遥感极微量的大气成分。由于气体吸收光谱的特性依赖于温度和气压，用差分吸收法还可以遥感温度铅直分布和地面气压。
荧光法
大气分子或原子吸收激光后被激发到高能态，其中一部分由高能态回到低能态时，能量以自发发射（荧光）方式释放出来。荧光光谱决定于分子结构和原子结构，而荧光量子效率在稀薄气体中较高，因而发射波长处于某种成分吸收线（带）上的激光，测定共振荧光光谱的方法，适用于高层大气中钠和钾等成分的探测。仪器根据以上原理，已研制成多种气象激光雷达。 除激光气象雷达外，还有用可调谐激光器作为本振源的、具有极高光谱分辨率的外差式辐射计，用激光拉曼散射法和共振荧光法测大气成分，用全息照相法测云滴谱等就地测量的仪器。
大气探测激光雷达具有可提供高时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据的优势，已经成为大气探测强有力的工具。按照激光雷达探测技术分类，有米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达、高光谱分辨率激光雷达、瑞利散射激光雷达、共振荧光激光雷达和多普勒激光雷达等
大气激光雷达相关仪器
北京卓镭超快激光
赋同量子超导纳米线单光子探测
德国Licel数据采集系统
德国Spectrum高速数字化仪
法国Miratlas一体化大气监测仪
激光雷达监测环境大气的工作原理
激光器发射激光脉冲，与大气中的气溶胶及各种成分作用后产生后向散射信号，系统中的探测器接收回波信号，并对其进行处理分析，从而得到所需的大气物理要素，具体原理如下图所示。
大气研究通过脉冲激光来测量100km高空多普勒（Doppler）频移后向散射光，从而测量沿光束的温度和风速。这种方式返回的信号非常弱，有时甚至受到阳光的阻挡。然而莱布尼茨大气物理研究所（IAP）解决了这一问题。莱布尼茨大气物理研究所独创了全球首款可在白天使用的便携式设备，为南极大气条件的研究提供了新的见解。新一代小巧且可靠的系统采用新型二极管泵浦固体激光器，其核心使用了Spectrum仪器提供的任意波形发生器（AWG）以及两款数字化仪，以确保研究所需的高速、高灵敏度以及实时性能。
该测量技术被称为多普勒共振激光雷达。这是由于将激光精确地调节至金属原子的共振跃迁而形成的反向散射光。反向散射信号非常弱（每个激光脉冲产生单个光子），白天几乎完全被太阳辐射淹没。夜间与白天测量最大的区别在于，白天的背景噪音是夜间的108倍。
研究80km到110km之间的大气温度分布被称为MLT（中间层和低热层），这对进行地球气候的数值模拟至关重要。进行这项研究的一种成熟方式是测量金属原子的多普勒展宽线宽，例如在770nm处的钾共振线和在372nm或386nm处的铁共振线使用脉冲激光的共振激光雷达系统。到目前为止，这些激光器都使用了闪光灯泵浦。但是，这是首个使用高效、可调节、二极管泵浦和紫翠绿宝石激光所研发的新型激光系统项目。该激光器能够更好地应对恶劣的环境条件，例如研究船舶或极地地区。凭借这项技术，大约1个原子/ cm3的浓度足以在100km的距离进行温度和风速测量，这种大气压力低于只有火箭可以进入的高度。
该项目的负责人Josef Höffner博士解释说：“该项目旨在创造适用于全球的小型移动测量系统。这样的系统适用于南极洲等环境恶劣的地区，在无需对设备频繁访问的情况下进行自动操作。因此，我们需要非常坚固且耐用的组件。除此之外，设备对灵敏度、速度以及灵活度也具有极高的要求。Spectrum仪器的设备性能卓越，产品所提供的五年质保期也加深了我们对其产品的信赖。”