1、激光在環境保護中的應用 遲春航 崔家珮 李言激光在環境保護中的應用引 言：環境調查和環境保護是公益性地質調查和監測工作。用科學發展觀統領環境保護工作,推動環境調查和監測的科技進步,加快高新技術在環境保護領域的應用,是每個科技工作者義不容辭的責任。一、激光與激光雷達的概述激光激光是一種新型光源,激光是Laser(LightAmplification for Stimulated Emission of Radia-tion)的中譯名,意即是光受激輻射放大。激光優良的性能,使它很快在許多領域得到廣泛的應用,至今已深入到工業、農業、醫學、生物、物理、化學、軍事、日常生活等幾乎所有領域。應用激光技術研

2、究和解決與環境有關的問題,是激光技術應用的新領域。激光雷達激光雷達是集激光技術、光學技術和微弱信號探測技術于一體而發展起來的一種現代化光學遙感手段。激光雷達由于探測波長的縮短、波束定向性的增強,能量密度的提高,因此具有高空間分辨率、高的探測靈敏度、能分辨被探測物種和不存在探測盲區等優點,已經成為目前對大氣、海洋和陸地進行高精度遙感探測的有效手段,廣泛地應用于環境監測、航天、通信、導航和定位等高新技術領域。激光雷達可以探測氣溶膠、云粒子的分布和風場的垂直廓線,也可以進行大氣成分、污染環境氣體的探測,對主要污染源、城市上空污染環境物的擴散、沙塵暴過程等進行有效監測。從而進行天氣預報和監控大氣污染。

3、激光雷達主要由激光光源、激光發射與接收光學及機械系統、信號接收采集系統、控制系統、系統軟件、整體結構等部分組成。激光雷達采用脈沖或連續波2種工作方式,探測方法分直接探測與外差探測,通過發射一定頻率的激光脈沖,激光雷達把短激光脈沖發射到大氣層,沿著它的軌跡,光被小粒子散射開(米式散射),并且也被空氣分子散射開(瑞利散射)。反向散射到激光雷達系統的少許光被望遠鏡和敏感的檢測器接收,接收機信號被得到,作為一個時間函數。由于光的等速性,時間與散射器的距離有關,因此空間信息沿著電子束軌跡被檢測。通過接收空氣中的粒子和分子散射回來的信號強度和頻移,從而探測氣溶膠的三維分布和徑向速度。具有極高的角分辨能力、

4、距離分辨能力、抗干擾能力強等特點。激光雷達的發展概述在大氣污染探測激光雷達方面,近年來傾向于發展探測靈敏度很高的差分吸收激光雷達,用于城市大氣環境和城市污染源的高時空分辨率探測。德國、美國、意大利和瑞典等國已分別研制成功車載式差分吸收激光雷達和拉曼激光雷達。美國、德國、英國、加拿大、日本等發達國家都建有用于大氣污染測量的激光雷達系統,并在環境監測中發揮著重要作用。大氣污染和環境監測工作中,地基固定式和車載激光雷達有布點成網趨勢,機載激光雷達在發達國家開始部署,一系列空間激光雷達計劃已開始執行。測量對象以SO2、NOX、O3、氣溶膠、有機氣體為主。探測方法以高靈敏度的差分吸收和米氏后向散射方法為

5、主。激光器發展趨勢是使用半導體激光器泵浦的全固化激光器,使用摻鈦寶石等新型可調諧固體激光器。 我國的激光雷達研制技術已日趨成熟。中科院大氣物理所的研制水平在國內外有較大影響,武漢物理所以及空間中心等單位也進行了相關的研究實驗。國內中科院大氣物理所研制了我國第一臺激光雷達,還研制了測量斜程大氣能見度YAG激光雷達。中科院武漢物理與數學研究所研制成功瑞利散射激光雷達、鈉層熒光激光雷達和拉曼散射激光雷達。中科院安徽光機所的激光雷達技術研究取得了突出的成就,已先后研制成功我國第一臺測污激光雷達即監測乙烯的JC-1激光雷達、平流層氣溶膠探測L625激光雷達、可移動雙波長對流層和近地層氣溶膠探測L300激

6、光雷達、我國第一臺平流層臭氧探測UV-DIAL差分激光雷達、機載激光雷達、大氣環境監測車載激光雷達L625大氣探測激光雷達是我國最大的探測平流層氣溶膠、水汽、臭氧、溫度等綜合性大氣探測研究激光雷達等系統,L300可移動式激光雷達是我國第一臺自行研制的0153和1106微米雙波長激光雷達,主要用于探測氣溶膠消光系數和大氣能見度。差分吸收激光雷達系統利用大氣對光的米氏彈性散射原理和差分吸收測量技術,可對大氣對流層的SO2、NO2、O3和飄塵等污染物的三維空間分布和動態變化進行測量。YAG激光雷達由于具有測量區域廣、精度高且激光能量損耗小等優點將被廣泛用于大氣環境監測工作。美國近年在航天飛機上計劃采

7、用的是YAG激光雷達;俄羅斯于1991年開始從事太空激光雷達的實驗工作,被安裝在第三代宇航站上的同樣也是YAG激光雷達;而日本的宇宙開發事業團從20世紀90年代開始就己把目標放在宇宙激光雷達的開發上,預計在近期即將發射升空的還是YAG激光雷達。 激光的特性激光雷達充分利用了激光的優良性能,激光的優良性能是由激光的特性所決定的。目前,可由電介質固體、半導體、氣體、液體等多種激光器產生激光。不同激光器具有不同的特點,這些特點匯集如下2、3:1)單色性好。激光是一種新型光源,激光是世界上發光顏色最單純的光源。有些激光器的波長還能通過各種方法調諧,能在一定的波長范圍產生窄線寬激光,目前,線寬已小于10

8、-10nm,甚至更小。近年來,其波長已擴展到X射線波段;2)高亮度是激光器最突出的優點。通常將單位面積、單位光譜寬度、單位立體角內發出的光輻射強度稱為光源單色亮度L= P/(SV2)式中P為光功率,S為受光面積,v為光輻射的頻譜寬度,為光束發散角。激光的發散角很小,光譜寬度很窄,因而單色亮度很高,一些高功率激光器的單色亮度比太陽要高100萬億倍;3)方向性好。激光是由受激輻射過程產生的,本身具有極好的方向性。光束的方向性用發散角表示。通常氣體激光器的發散角較小,接近衍射極限,小于10-3rad。例如,從地球上發射一束激光到相距38萬公里遠的月球上,光束直徑只有幾十米,這是普通光源達不到的。4)

9、相干性好。激光的相干性可用相干時間或相干長度來表示。相干時間和相干長度都與光束的頻譜寬度有關。由于激光比普通光源的頻譜寬度小得多,因此,激光的相干性要比普通光源高得多。例如,特制的He-Ne激光器,其相干長度可達2107km;5)高功率和高能量。激光器能在極短的時間(如10-12s,10-15s)內,可以產生極高的峰值功率。例如,國際上現在競相研究的核聚變用激光器,輸出峰值功率可達1018W。許多連續、準連續或脈沖運轉的高功率激光器,能產生很高的激光能量。如某些核聚變用激光器的激光能量可達1.8MJ,因此,利用激光作為能量載體的應用與日俱增;6)高速調制。激光器,特別是半導體激光器,不僅具有合

10、適的波長和高的輸出功率,能聚焦成很小的光斑,還可對激光直接進行高速調制,調制速度可高達幾萬兆赫。這一特點,再加上半導體激光器的體積小、效率高、壽命長、價格低廉等其他特點,便使它特別適合光通信、光存儲、光計算、光印刷等信息領域的需要。激光雷達的基本工作原理概述前已述及,激光雷達是集激光技術、光學技術和微弱信號探測技術于一體而發展起來的一種現代化光學探測手段。激光雷達最基本的工作原理與普通雷達類似,即由發射系統發送信號,該信號與目標作用產生的返回信號被接收系統收集并處理,以獲得所需要的信息。但是,激光雷達的發射信號為激光。比普通無線電雷達發送的無線電波乃至毫米波雷達發送的毫米波的波長短,在通常的情

11、況下,比無線電波波長小35個數量級,為波長極短的單色光子(能量約3.1eV)。圖1 激光雷達原理框圖4Fig.1 Block diagram of laser radarworking principle4(1.激光器;2.光束整形系統;3.發射望遠鏡;4.發射掃描系統;5.接收掃描系統;6.接收望遠鏡;7.光電探測器;8.計算機與時序控制裝置;9.存儲和顯示裝置)當電磁波在傳播路徑上遇到尺寸比波長小的物體時,波的大部分能流繞過物體繼續向前傳播(衍射)。普通無線電雷達無法探測大量的小型目標,即使是毫米波雷達,也探測不到直徑很小的線狀目標或微粒。用于激光雷達系統的激光波長一般只有微米(m)量級,

12、足以探測包括很細的導線及粒子等微小目標。一個最基本的激光雷達系統如圖1所示,激光器發出的激光經整形和擴束后由發射掃描系統向目標發射,返回信號經接收掃描進入接收系統,隨后被送往光電探測器,光信號在這里轉變為電信號,并進入計算機進行處理,經處理的信號可以適當方式存儲或顯示,計算機除進行數據處理外,還對激光發射和探測器門電路實行時序控制。激光雷達的類型激光雷達分類方式有多種,在此僅按激光雷達結構、接收信號方式和工作空間進行分類。激光雷達按其結構可分為單穩態與雙穩態系統兩類。雙穩態系統中發射部分與接收部分異地放置,目的是提高空間分辨率。當前,脈寬為ns級的激光可提供相當高的空間分辨率,故雙穩態系統已很

13、少采用。單穩態系統往往是單端系統,即發射與接收信號共用一個光學孔徑,并由發送/接收(T/R)開關隔離4。按激光雷達接收信號的方式,又形成不同用途的激光雷達系統。激光雷達接收的信號可以是反射信號,也可以是彈性散射信號(包括瑞利(Rayleigh)散射或米(Mie)散射),還可以是吸收衰減的信號、共振散射信號、熒光信號、拉曼(Ra-man)散射信號以及差分吸收散射信號等,形成了不同用途的激光雷達系統。例如,散射型激光雷達、吸收型激光雷達、激光熒光雷達、拉曼激光雷達和差分吸收激光雷達等。按激光雷達系統的工作空間,又分為地面固定式(地基固定)、車(船)載激光雷達、機載激光雷達和星載激光雷達以及地對空探

14、測激光雷達等。二、 激光雷達在環境監測中的應用1 大氣污染物分布的觀測 低空大氣中存在著豐富的被稱之為氣溶膠的漂浮粒子,它是造成大氣污染的主要因素。當激光雷達發出的激光與這些漂浮粒子發生作用時會發生散射,而且入射光波長與漂浮粒子的尺度為同一數量級,散射系數與波長一次方成反比,米氏散射激光雷達依據這一性質可完成氣溶膠濃度、空間分布及能見度的測定。同時可監測沙塵暴的起源、傳輸途徑以及它的沉降過程。以利于各地根據沙塵暴的不同起源采取不同對策,利用植樹造林等干擾手段改變或阻斷沙塵暴的傳播路徑。對大氣及其污染探測時,可選用地基固定式、星載激光雷達、機載激光雷達和地對空激光雷達進行。在實際工作中,不同的工

15、作目的和探測目標選用了不同的激光雷達系統,例如:利用Mie散射激光雷達探測大氣懸浮塵埃和氣溶膠。氣溶膠造成一系列的環境污染問題,如臭氧層的破壞、酸雨的形成、煙霧事件的發生等,已釀成全球性環境問題。當激光穿過大氣與大氣粒子相互作用,Mie散射的微分散射幾率最大,比Rayleigh散射和Raman散射的幾率高1018和1021左右。因此,大氣中即使是少量的低濃度懸浮塵埃和氣溶膠,也可以根據Mie散射探測來確定它們的成分及污染程度,得到精確度較高的基礎性數據,定量化研究評估氣溶膠等大氣成分對氣候、生態環境的影響,提高天氣預報準確率和有效監控大氣污染,可為制定相關政策提供科學依據?？梢岳肦aylei

16、gh散射激光雷達探測破壞大氣臭氧層的氟利昂系列。Rayleigh散射是大氣原子或分子的彈性散射,其后向散射截面比較大,因此,Rayleigh散射激光雷達適用于中層大氣成分變化的探測。利用Raman激光雷達監測羽狀的氣體污染源。Raman散射是激光作用于物質粒子產生的非彈性散射過程。散射光子與入射光子能量之差決定于散射物體成分,由于散射截面較小,探測靈敏度有限,因此,Raman激光雷達非常適用對工廠和汽車排放羽狀的污染源進行監測。Raman激光雷達在20世紀70年代得到迅速發展。近年來,發展了探測靈敏度很高的差分吸收激光雷達,用于城市大氣環境和城市污染源的高分辨率探測。測量對象以SO2、NOX、

17、O3、氣溶膠、有機氣體為主。探測方法以高靈敏度的差分吸收和米氏后向散射方法為主。L625大氣探測激光雷達是我國最大的探測平流層氣溶膠、水汽、臭氧、溫度等綜合性大氣探測研究的激光雷達系統,L300可移動式激光雷達是我國第一臺自行研制的0.53m和1.06m雙波長激光雷達,主要用于探測氣溶膠消光系數和大氣能見度。差分吸收激光雷達系統利用大氣對光的米氏彈性散射原理和差分吸收測量技術,可對大氣對流層的SO2、NOX、O3和飄塵等污染物的三維空間分布和動態變化進行測量。YAG激光雷達由于具有測量區域廣、精度高且激光能量損耗小等優點已被廣泛用于大氣環境監測工作。2大氣成分的觀測差分吸收激光雷達是利用激光被

18、氣體分子的吸收及被氣溶膠、大氣分子的后向散射兩方面的作用效果而設置的。它主要用于大氣成分的測定,其中包括水蒸汽、臭氧及大氣污染體的空間濃度分布等。差分吸收激光雷達的測量原理是使用激光雷達發出兩種波長不等的光,其中一個波長調到待測物質的吸收線,而另一波長調到線上吸收系數較小的邊翼,然后以高重復頻率將這兩種波長的光交替發射至大氣中。此時由于激光雷達所測量到的這兩種波長光信號衰減差是待測對象的吸收所致,因此通過數據分析,便可得到待測對象的濃度分布,從而達到測量目的。3. 氣象要素的觀測在大氣環境污染觀測中有關風速、氣溫、濕度等氣象要素是不可缺少的重要參數。近年來利用拉曼散射與溫度關系制成的拉曼散射激

19、光雷達己有廣泛的應用。在使用拉曼散射激光雷達對溫度進行測量時,既可通過轉動拉曼散射激光雷達加以實現,也可利用振動拉曼散射激光雷達來獲得,后者更適合低層大氣中高精度氣溫的測定。利用多普勒激光雷達可以測量風速,就其工作方式而言,分為相干方式及非相干方式。通常在對流層風速測定中采用相干方式,而對同溫層及中層風速測定中,通常采用非相干方式。4中間層金屬蒸氣層的觀測在距地面80 -120km的中間層頂部及電離層底部存在著較豐富的金屬蒸氣層,如Na, K,Li,Ca,Fe等。以這些金屬原子作為示蹤物開展大氣動力學研究,是一種非常有效的方法。鈉熒光共振散射激光雷達的基本結構與瑞利散射激光雷達結構類似。由于中

20、間層頂大氣分子密度很低,瑞利散射信號十分微弱,而該區域內的鈉金屬原子層由于其共振熒光截面比瑞利散射截面高幾個數量級,因此,利用鈉熒光雷達研究鈉層分布,進而研究重力波等有關性質更顯示其獨有的特性。2001年武漢大學自籌經費研制成功了國內第一臺雙波長高空激光雷達。工作波長為532nm(瑞利模式)和589nm(鈉熒光模式),利用瑞利和鈉熒光激光雷達回波,獲取地球上空30 -80 km高度范圍大氣密度和85 -105km鈉層的密度與溫度的空間結構和時間變化,辯明中高層大氣中關鍵的動力學過程,建立我國上空中高層大氣的密度和溫度模式,為我國的航天活動、國防工程建設和其他應用部門提供空間環境監測和預報服務。

21、5用于海洋烴類污染探測-海面油膜激光熒光探測機載激光雷達和船載激光雷達以及水下激光雷達被視為海洋科學研究主流方法之一。用于探測淺海水深、溫度、海浪、海洋葉綠素、油污以及海洋油氣勘查等。據報道統計,存在于江、河、湖、海中不同濃度的各種有機物2000多種,其中許多有機污染物直接威脅人類健康,或傷害水中生物。各種油類是最常見和數量最大的水體污染物。海洋污染的主要是原油、汽油、石油溶劑以及多種揮發性物質。水體污染物大都有毒。水中的浮油可以形成亞微米厚的薄膜,因此,極少量油污便能形成嚴重的危害。進入世紀以來，伴隨著國民經濟的高速發展，我國的江河、湖泊以及海洋環境水體水質也遭受到了嚴重的破環；水體水質污染

22、不但會損害生物資源，也會危害人類健康、妨礙人類活動，這種情況在經濟較為發達的海岸帶地區尤為嚴重。從年環保部第一次污染源普查公報可以看出，近海石油污染是我國沿海地區的重要污染源之一，給生態環境帶來了巨大的壓力。為了實現對油類污染物的監測與油源鑒定，目前實驗室常用的手段是色譜分離法，此法可對多個組分加以測定，但耗時較長，步驟繁瑣，不利于實時監測。海岸帶水體石油污染物主要是石油及其提煉產品，一般說來，石油都具有大致相同的物理化學性質，但是不同地區、不同油層中石油的化學組成有著明顯的差異。研究發現，紫外區域是石油類污染物的激發效率較高的區域。在紫外光源的激發下，由于不同的石油污染物其芳香烴及其衍生物成

23、分不同，造成的熒光光譜存在較大的差異，這為我們利用熒光光譜進行油種的鑒定提供了依據。而激光具有高亮度、單色性好的優點，因此，本測量系統采用紫外激光作為激發光源，利用激光誘導熒光的方式獲取不同種類的石油樣品的熒光光譜。為了研究不同種類的石油污染物的熒光特性，實驗室內搭建了一套激光誘導熒光石油光譜探測系統，利用紫外激光作為激發光源，以九種典型的石油污染物為樣本，測量了其激光誘導熒光特性，分析了不同油種的紫外激光誘導熒光光譜特征，并探討了在相同入射角的情況下不同接收角度對探測結果的影響。多年來人們認識到探測和鑒別油污,是生態環境保護和治理中的重要因素。海面油膜激光熒光探測是目前鑒別水體污染的主要方法

24、。激光熒光方法對烴類指示物的探測,是目前光學探測中最靈敏的手段,其靈敏度可以達到10-9量級,它比化學分析方法、物理電化分析(均需采樣)的靈敏度高幾個量級,因此,是受到重視且有前途的方法。由于它又是探測潛艇尾跡(滲油)的一種潛在手段,因此,又受到軍事部門的重視。1）海面油膜激光熒光探測的物質基礎是:由于油氣烴類有較大的散射截面,因此,激光熒光方法比其它光譜方法有較高的靈敏度。青島海洋大學的BLOL海洋激光雷達已在海上測量海中有機物熒光,測量濃度小于1mg/m3,即已達到10-9量級;在實驗室測量油熒光,測量濃度小于1g/L,也即10-9靈敏度水平。如果進一步采用高時間分辨率快速光子計數技術,則

25、有可能達到10-11靈敏度的水平。這相當于可探測1t水中一個直徑為0.27mm的油氣霧粒4。石油產品中包括很多種發射熒光基質,如單環和多環香族碳氫化合物以及各種雜環化合物。這些化合物受到具有適當波長和能量的激光照射時,便會發射特有波長的熒光,熒光光譜直接同物質的分子結構相關,這就是用激光誘導熒光方法對石油產品進行探測的基礎。利用熒光光譜的強度和形狀作為鑒別石油產品的依據。海面油膜激光探測系統框圖如圖2所示。在圖2中,激勵光源是激光器,激光器的選擇由所需要測量熒光參數決定。接收器和能量監測器都是將光信號轉化為電信號,可根據不同需要選擇,其中比較常用的,也是精度比較高的是光電倍增管。當用光電倍增管

26、時,一般要用到掃描系統,在熒光譜范圍內掃描,用單一的光電倍增管進行接收。這樣不僅簡化系統結構,提高系統性能價格比,而且還能簡化系統定標,有利于數據處理。當用光電二極管作為接收器時,一般要用到光電二極管陣列。每個二極管固定接收某一波長的熒光信號。信號處理與存儲系統一般是使用計算機。這部分系統中要用到模擬信號向數字信號的轉化,可用A/D電路或OMA(光多道分析儀)完成,其中OMA性能較好,但價格昂貴。整個系統的控制也是由計算機完成,這有利于系統業務化。圖2 海面油膜激光探測系統框圖4Fig.2 Block diagram of ocean surface oil filmlaser detecti

27、on system42）海面油膜激光探測參數:目前,海面油膜激光探測技術主要探測油膜發射熒光光譜和熒光衰減時間譜。原油和精煉石油產品(機油)的熒光光譜線,無論形狀還是峰值位置均有明顯差異,足以用來識別油的品種;各類油的熒光衰減時間譜差別很大,是一種很好的標識特征。從而確定油的種類、油膜的厚度等參數。此外,激光誘導產生Raman光譜,可以用于探測水面油膜厚度。激光束照射油膜覆蓋的水面,激光透過油膜在水油界面產生水的后向Ra-man散射光,再次通過油膜被探測器接收,即可精確計算油膜厚度。三、激光雷達對環境探測(監測)的意義與展望綜上所述,筆者把研究和解決與環境有關問題的激光雷達技術和方法統稱為環境

28、探測(監測)激光雷達,簡稱為環境激光雷達。國內外的研究和實踐表明,激光雷達方法在探測(監測)大氣污染、城市環境污染和海洋烴類污染等方法取得了明顯的效果。為大氣環境監測和海洋以及水面烴類污染監測提供了新技術和新方法48。激光雷達為大氣環境監測提供了重要手段，激光雷達利用后向散射原理實現對氣溶膠和云的遙感,利用多普勒效應實現大氣各高度風場的遙感,利用差分吸收和量子散射效應實現大氣成分遙感,特別是水汽和臭氧分布。為大氣環境監測提供了重要手段,有力的促進了大氣環境監測技術和大氣科學技術的發展。利用激光熒光光譜測量來區分海水不同的油膜方面已取得了明顯的效果,為人類凈化環境和進一步探查海洋資源積累了經驗。

29、為定量評估氣溶膠等大氣成分對氣候、生態環境的影響提供精確的基礎數據氣溶膠造成一系列的環境污染問題,如臭氧層的破壞、酸雨的形成、煙霧事件的發生等,已釀成全球性環境問題,引起了全世界的重視。利用激光雷達對大氣成分進行監測和分析,得到精確度較高的基礎性數據,定量化研究評估氣溶膠等大氣成分對氣候、生態環境的影響,提高天氣預報準確率和有效監控大氣污染,可為制定相關政策提供科學依據。 研制新型的激光器激光器是激光雷達發射系統的重要組成部分之一2,3,9,應加速研制新型的激光器。目前,半導體激光器應用和發展的很快,而固體激光器的發展方向是:研制和完善大能量、高功率的固體激光器、可調諧固體激光器、LD泵浦固體

30、激光器和光纖激光器。 完善和建立激光大氣遙感系統和激光雷達探測(監測)觀測網 激光雷達不僅能探測和跟蹤目標,獲得目標的方位、速度等信息,激光雷達還具有極高的分辨能力和方向性,且波束發散角小,抗干擾能力強和體積小等優點。這樣,大大促進了激光大氣遙感技術的發展,即發展星載激光雷達技術,建立裝載激光雷達探測云和氣溶膠的空間觀測系統10,11。此外,完善和建立地基固定式和車載激光雷達觀測網,監測城市和重點工程以及主要污染源的空氣質量變化,也是大氣和環境污染監測工作的發展趨勢。參考文獻: 1楊義彬.激光雷達技術的發展及其在大氣環境監測中的應用J.成都信息工程學院學報,2005,20(6):725727.2梁路光,趙大源.醫用物理學M.北京:高等教育出版社, 2005.3安毓英,劉繼芳,李慶輝.光電子技術M.北京:電子工業出版社, 2003.4閻吉祥,龔順生,劉智深.環境監測激光雷達M.北京:科學出版社,2001.5 Hoge F E,Wright C W,Swift R N, et al. AirborneLaser -Induced Oceanic Chlorophyll Fluorescence:Solar -Indu