高層大氣雷射雷達探測
正文
利用雷射束在大氣中的散射、吸收、頻移和譜線增寬現象對高層大氣進行遙感探測的一種方法。雷射雷達向大氣發射雷射脈衝，同時接收大氣粒子（分子、原子、離子或氣溶膠粒子等）對雷射的後向散射光子，測定從發射出雷射到接收到散射光的時間間隔，可以確定所探測的大氣體積的位置；測出散射光的強度，可以得到所探測的大氣密度；使用各種波長的雷射和各種類型的散射，可以測量各種大氣參量，如密度、成分、壓力、溫度、風和湍流等。雷射雷達設備主要由發射機、接收機和記時同步系統組成。但由於探測的對象和方法不同，所使用的雷射波長不同，發射機和接收機的某些元件也各不相同。利用雷射雷達探測的優點很多：①雷射脈衝寬度窄，光束髮散角小，使得探測的空間解析度很高,可達1公里以下；②雷射的功率大，測得遠，可作較遠距離的遙測；③可用較高的雷射脈衝重複頻率，即探測的時間解析度高的特點，探測大氣參量的瞬變過程，如極光過程等；④雷射的單色性很強，在接收端用窄帶濾光片濾掉雜散光可以提高信噪比，探測的靈敏度高；⑤雷射探測可用的波長幅度很寬，從近紫外直到整個紅外，可測量大氣各種成分。另外，還可採用靈敏的單光子計數技術或外差接收技術以提高接收靈敏度。用雷射雷達探測高層大氣也有缺點，主要是太陽光的光背景噪聲很大，白天探測較困難。
探測的方法有下列幾種：
瑞利散射法 當雷射波長遠離大氣粒子吸收線波長，但比粒子（例如大氣分子）尺度大很多時，粒子對光的散射就是瑞利散射。由於被散射的光強度與在散射高度處的分子密度成比例，因此可利用它來測定大氣密度隨高度的分布。通過測量散射光強度的變化，還可得出大氣湍流特性。通過對瑞利散射信號的頻譜分析，可得到大氣分子溫度。此法在地面上無月光的夜晚,可測到100公里左右高空的大氣參量。
米氏散射法 當雷射波長遠離大氣粒子吸收線波長，但與粒子尺度相當時,粒子對光的散射就是米氏散射,如氣溶膠粒子對雷射的散射就是米氏散射。利用米氏散射可以測量氣溶膠濃度和氣溶膠粒子的大小和分布。通過測量米氏散射光的都卜勒頻移,並利用斯托克斯-愛因斯坦關係，也可得到氣溶膠粒子大小和濃度分布。還可以從都卜勒頻移推算出氣溶膠的整體運動，從而得出大氣風速。
共振散射法和螢光散射法 當雷射波長與大氣成分的吸收線或吸收帶相重合時,整個光子被該成分吸收,並經過10-8～10-1秒的時間延遲以後,再重新輻射出來的光子的頻率與原雷射相等時稱共振散射，比原雷射頻率低時稱螢光散射。由於不同大氣成分的吸收線不同，因此利用這種散射可測量各種大氣成分。
共振吸收法 當雷射波長與大氣成分的吸收線或吸收帶相重合時，將發生強烈的吸收現象。若用一遠距離接收器或反射器接收透過的雷射，通過對吸收線上和吸收線外兩種波長的雷射的透射光強比，即可測得沿光路的該種大氣成分的總含量。
都卜勒頻移測量法 散射體有巨觀運動時產生散射光譜線的頻移。頻移值與徑向運動速度成正比，與波長成反比。散射體的分子熱運動引起譜線增寬。測量頻移值可算得巨觀運動速度，即風速；測量譜線增寬可算出大氣溫度。
喇曼散射法 雷射的特點之一是頻帶狹窄。因此,雷射雷達的後向散射光譜中，嚴格地說具有與發射光相同的近於單一的頻率。在實際接收到的後向散射光譜線的兩邊，還出現強度低得多的新譜線。而這些新譜線離開原雷射譜線的距離與散射成分分子的振動能或鏇轉能的級差相對應。這種新的光譜的光稱為喇曼散射光。這種散射與入射光的頻率無關,只是發生了與分子的轉動-振動結構相應的頻移，因此它提供了一個與入射頻率無關而又能鑑別出散射成分的方法，故可用來探測大氣成分。
共振喇曼散射可作為一種改進喇曼後向散射效率的方法。即選擇雷射入射頻率十分接近於散射成分分子的一個允許電子躍遷頻率。這樣，由於共振效應，可使散射截面提高几個量級。
對於線型分子，喇曼轉動光譜包括振幅近似相等的兩支光譜，頻率對稱地處於原雷射譜線的兩邊，每支光譜包跡強度是溫度的函式，因此測量這兩支光譜的強度比，即可確定大氣溫度。
參考書目
E.D.Hinkley,Leser Monitoring of the Atmosphere,Springer-Verlag,Berlin,1976.
D.K.Killinger and A.Mooradiar,Optical and Laser Remote Sensing,Springer-Verlag,Berlin,1983.
