激光在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

1、激光在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用 遲春航 崔家珮 李言激光在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用引 言：環(huán)境調(diào)查和環(huán)境保護(hù)是公益性地質(zhì)調(diào)查和監(jiān)測工作。用科學(xué)發(fā)展觀統(tǒng)領(lǐng)環(huán)境保護(hù)工作,推動環(huán)境調(diào)查和監(jiān)測的科技進(jìn)步,加快高新技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用,是每個科技工作者義不容辭的責(zé)任。一、激光與激光雷達(dá)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(yōu)良的性能,使它很快在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,至今已深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、生物、物理、化學(xué)、軍事、日常生活等幾乎所有領(lǐng)域。應(yīng)

2、用激光技術(shù)研究和解決與環(huán)境有關(guān)的問題,是激光技術(shù)應(yīng)用的新領(lǐng)域。·激光雷達(dá)激光雷達(dá)是集激光技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和微弱信號探測技術(shù)于一體而發(fā)展起來的一種現(xiàn)代化光學(xué)遙感手段。激光雷達(dá)由于探測波長的縮短、波束定向性的增強(qiáng),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(qū)等優(yōu)點,已經(jīng)成為目前對大氣、海洋和陸地進(jìn)行高精度遙感探測的有效手段,廣泛地應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、航天、通信、導(dǎo)航和定位等高新技術(shù)領(lǐng)域。激光雷達(dá)可以探測氣溶膠、云粒子的分布和風(fēng)場的垂直廓線,也可以進(jìn)行大氣成分、污染環(huán)境氣體的探測,對主要污染源、城市上空污染環(huán)境物的擴(kuò)散、沙塵暴過程等進(jìn)行有效監(jiān)測。從而進(jìn)行

3、天氣預(yù)報和監(jiān)控大氣污染。激光雷達(dá)主要由激光光源、激光發(fā)射與接收光學(xué)及機(jī)械系統(tǒng)、信號接收采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件、整體結(jié)構(gòu)等部分組成。激光雷達(dá)采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式,探測方法分直接探測與外差探測,通過發(fā)射一定頻率的激光脈沖,激光雷達(dá)把短激光脈沖發(fā)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(dá)系統(tǒng)的少許光被望遠(yuǎn)鏡和敏感的檢測器接收,接收機(jī)信號被得到,作為一個時間函數(shù)。由于光的等速性,時間與散射器的距離有關(guān),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(qiáng)度和頻移,從而探測氣溶膠的三維分布和徑向速度

4、。具有極高的角分辨能力、距離分辨能力、抗干擾能力強(qiáng)等特點。·激光雷達(dá)的發(fā)展概述在大氣污染探測激光雷達(dá)方面,近年來傾向于發(fā)展探測靈敏度很高的差分吸收激光雷達(dá),用于城市大氣環(huán)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(dá)和拉曼激光雷達(dá)。美國、德國、英國、加拿大、日本等發(fā)達(dá)國家都建有用于大氣污染測量的激光雷達(dá)系統(tǒng),并在環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用。大氣污染和環(huán)境監(jiān)測工作中,地基固定式和車載激光雷達(dá)有布點成網(wǎng)趨勢,機(jī)載激光雷達(dá)在發(fā)達(dá)國家開始部署,一系列空間激光雷達(dá)計劃已開始執(zhí)行。測量對象以SO2、NOX、O3、氣溶膠、有機(jī)氣體為主。探測方法以高

5、靈敏度的差分吸收和米氏后向散射方法為主。激光器發(fā)展趨勢是使用半導(dǎo)體激光器泵浦的全固化激光器,使用摻鈦寶石等新型可調(diào)諧固體激光器。 我國的激光雷達(dá)研制技術(shù)已日趨成熟。中科院大氣物理所的研制水平在國內(nèi)外有較大影響,武漢物理所以及空間中心等單位也進(jìn)行了相關(guān)的研究實驗。國內(nèi)中科院大氣物理所研制了我國第一臺激光雷達(dá),還研制了測量斜程大氣能見度YAG激光雷達(dá)。中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所研制成功瑞利散射激光雷達(dá)、鈉層熒光激光雷達(dá)和拉曼散射激光雷達(dá)。中科院安徽光機(jī)所的激光雷達(dá)技術(shù)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(dá)即監(jiān)測乙烯的JC-1激光雷達(dá)、平流層氣溶膠探測L625激光雷達(dá)、可移動雙波

6、長對流層和近地層氣溶膠探測L300激光雷達(dá)、我國第一臺平流層臭氧探測UV-DIAL差分激光雷達(dá)、機(jī)載激光雷達(dá)、大氣環(huán)境監(jiān)測車載激光雷達(dá)L625大氣探測激光雷達(dá)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(dá)等系統(tǒng),L300可移動式激光雷達(dá)是我國第一臺自行研制的0153和1106微米雙波長激光雷達(dá),主要用于探測氣溶膠消光系數(shù)和大氣能見度。差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)利用大氣對光的米氏彈性散射原理和差分吸收測量技術(shù),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(tài)變化進(jìn)行測量。YAG激光雷達(dá)由于具有測量區(qū)域廣、精度高且激光能量損耗小等優(yōu)點將被廣泛用于大氣環(huán)境

7、監(jiān)測工作。美國近年在航天飛機(jī)上計劃采用的是YAG激光雷達(dá);俄羅斯于1991年開始從事太空激光雷達(dá)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(dá);而日本的宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)從20世紀(jì)90年代開始就己把目標(biāo)放在宇宙激光雷達(dá)的開發(fā)上,預(yù)計在近期即將發(fā)射升空的還是YAG激光雷達(dá)。 ·激光的特性激光雷達(dá)充分利用了激光的優(yōu)良性能,激光的優(yōu)良性能是由激光的特性所決定的。目前,可由電介質(zhì)固體、半導(dǎo)體、氣體、液體等多種激光器產(chǎn)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(fā)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(diào)諧,能在一

8、定的波長范圍產(chǎn)生窄線寬激光,目前,線寬已小于10-10nm,甚至更小。近年來,其波長已擴(kuò)展到X射線波段;2)高亮度是激光器最突出的優(yōu)點。通常將單位面積、單位光譜寬度、單位立體角內(nèi)發(fā)出的光輻射強(qiáng)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(fā)散角。激光的發(fā)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(chǎn)生的,本身具有極好的方向性。光束的方向性用發(fā)散角表示。通常氣體激光器的發(fā)散角較小,接近衍射極限,小于10-3rad。例如,從地球上發(fā)射一束激光到相距38萬公里遠(yuǎn)的月球上

9、,光束直徑只有幾十米,這是普通光源達(dá)不到的。4)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(guān)。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(dá)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(nèi),可以產(chǎn)生極高的峰值功率。例如,國際上現(xiàn)在競相研究的核聚變用激光器,輸出峰值功率可達(dá)1018W。許多連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)或脈沖運轉(zhuǎn)的高功率激光器,能產(chǎn)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(dá)1.8MJ,因此,利用激光作為能量載體的應(yīng)用與日俱增;6)

10、高速調(diào)制。激光器,特別是半導(dǎo)體激光器,不僅具有合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(jìn)行高速調(diào)制,調(diào)制速度可高達(dá)幾萬兆赫。這一特點,再加上半導(dǎo)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(lǐng)域的需要。·激光雷達(dá)的基本工作原理概述前已述及,激光雷達(dá)是集激光技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和微弱信號探測技術(shù)于一體而發(fā)展起來的一種現(xiàn)代化光學(xué)探測手段。激光雷達(dá)最基本的工作原理與普通雷達(dá)類似,即由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送信號,該信號與目標(biāo)作用產(chǎn)生的返回信號被接收系統(tǒng)收集并處理,以獲得所需要的信息。但是,激光雷達(dá)的發(fā)射信號為激光。比普通無線電雷達(dá)

11、發(fā)送的無線電波乃至毫米波雷達(dá)發(fā)送的毫米波的波長短,在通常的情況下,比無線電波波長小35個數(shù)量級,為波長極短的單色光子(能量約3.1eV)。圖1 激光雷達(dá)原理框圖4Fig.1 Block diagram of laser radarworking principle4(1.激光器;2.光束整形系統(tǒng);3.發(fā)射望遠(yuǎn)鏡;4.發(fā)射掃描系統(tǒng);5.接收掃描系統(tǒng);6.接收望遠(yuǎn)鏡;7.光電探測器;8.計算機(jī)與時序控制裝置;9.存儲和顯示裝置)當(dāng)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(xù)向前傳播(衍射)。普通無線電雷達(dá)無法探測大量的小型目標(biāo),即使是毫米波雷達(dá),也探測不到直徑很小的線狀目

12、標(biāo)或微粒。用于激光雷達(dá)系統(tǒng)的激光波長一般只有微米(m)量級,足以探測包括很細(xì)的導(dǎo)線及粒子等微小目標(biāo)。一個最基本的激光雷達(dá)系統(tǒng)如圖1所示,激光器發(fā)出的激光經(jīng)整形和擴(kuò)束后由發(fā)射掃描系統(tǒng)向目標(biāo)發(fā)射,返回信號經(jīng)接收掃描進(jìn)入接收系統(tǒng),隨后被送往光電探測器,光信號在這里轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?并進(jìn)入計算機(jī)進(jìn)行處理,經(jīng)處理的信號可以適當(dāng)方式存儲或顯示,計算機(jī)除進(jìn)行數(shù)據(jù)處理外,還對激光發(fā)射和探測器門電路實行時序控制。·激光雷達(dá)的類型激光雷達(dá)分類方式有多種,在此僅按激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)、接收信號方式和工作空間進(jìn)行分類。激光雷達(dá)按其結(jié)構(gòu)可分為單穩(wěn)態(tài)與雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)兩類。雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中發(fā)射部分與接收部分異地放置,目的是提高空間分

13、辨率。當(dāng)前,脈寬為ns級的激光可提供相當(dāng)高的空間分辨率,故雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)已很少采用。單穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)往往是單端系統(tǒng),即發(fā)射與接收信號共用一個光學(xué)孔徑,并由發(fā)送/接收(T/R)開關(guān)隔離4。按激光雷達(dá)接收信號的方式,又形成不同用途的激光雷達(dá)系統(tǒng)。激光雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)。例如,散射型激光雷達(dá)、吸收型激光雷達(dá)、激光熒光雷達(dá)、拉曼激光雷達(dá)和差分吸收激光雷達(dá)等。按激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作空間,又分為地面固定式

14、(地基固定)、車(船)載激光雷達(dá)、機(jī)載激光雷達(dá)和星載激光雷達(dá)以及地對空探測激光雷達(dá)等。二、 激光雷達(dá)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)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(dāng)激光雷達(dá)發(fā)出的激光與這些漂浮粒子發(fā)生作用時會發(fā)生散射,而且入射光波長與漂浮粒子的尺度為同一數(shù)量級,散射系數(shù)與波長一次方成反比,米氏散射激光雷達(dá)依據(jù)這一性質(zhì)可完成氣溶膠濃度、空間分布及能見度的測定。同時可監(jiān)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(jù)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

15、、星載激光雷達(dá)、機(jī)載激光雷達(dá)和地對空激光雷達(dá)進(jìn)行。在實際工作中,不同的工作目的和探測目標(biāo)選用了不同的激光雷達(dá)系統(tǒng),例如:利用Mie散射激光雷達(dá)探測大氣懸浮塵埃和氣溶膠。氣溶膠造成一系列的環(huán)境污染問題,如臭氧層的破壞、酸雨的形成、煙霧事件的發(fā)生等,已釀成全球性環(huán)境問題。當(dāng)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(jù)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(chǔ)性數(shù)據(jù),定量化研究評估氣溶膠等大氣成分對氣候、生態(tài)環(huán)境的影響,提高天氣預(yù)報準(zhǔn)確

16、率和有效監(jiān)控大氣污染,可為制定相關(guān)政策提供科學(xué)依據(jù)。可以利用Rayleigh散射激光雷達(dá)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(dá)適用于中層大氣成分變化的探測。利用Raman激光雷達(dá)監(jiān)測羽狀的氣體污染源。Raman散射是激光作用于物質(zhì)粒子產(chǎn)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(dá)非常適用對工廠和汽車排放羽狀的污染源進(jìn)行監(jiān)測。Raman激光雷達(dá)在20世紀(jì)70年代得到迅速發(fā)展。近年來,發(fā)展了探測靈敏度很高的差分吸收激光雷達(dá)

17、,用于城市大氣環(huán)境和城市污染源的高分辨率探測。測量對象以SO2、NOX、O3、氣溶膠、有機(jī)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(dá)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(dá)系統(tǒng),L300可移動式激光雷達(dá)是我國第一臺自行研制的0.53m和1.06m雙波長激光雷達(dá),主要用于探測氣溶膠消光系數(shù)和大氣能見度。差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)利用大氣對光的米氏彈性散射原理和差分吸收測量技術(shù),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(tài)變化進(jìn)行測量。YAG激光雷達(dá)由于具有測量區(qū)域廣、精度高且激光能量損耗小等優(yōu)點已

18、被廣泛用于大氣環(huán)境監(jiān)測工作。2大氣成分的觀測差分吸收激光雷達(dá)是利用激光被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(shè)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(dá)的測量原理是使用激光雷達(dá)發(fā)出兩種波長不等的光,其中一個波長調(diào)到待測物質(zhì)的吸收線,而另一波長調(diào)到線上吸收系數(shù)較小的邊翼,然后以高重復(fù)頻率將這兩種波長的光交替發(fā)射至大氣中。此時由于激光雷達(dá)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(shù)據(jù)分析,便可得到待測對象的濃度分布,從而達(dá)到測量目的。3. 氣象要素的觀測在大氣環(huán)境污染觀測中有關(guān)風(fēng)速、氣溫、濕度等氣

19、象要素是不可缺少的重要參數(shù)。近年來利用拉曼散射與溫度關(guān)系制成的拉曼散射激光雷達(dá)己有廣泛的應(yīng)用。在使用拉曼散射激光雷達(dá)對溫度進(jìn)行測量時,既可通過轉(zhuǎn)動拉曼散射激光雷達(dá)加以實現(xiàn),也可利用振動拉曼散射激光雷達(dá)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(dá)可以測量風(fēng)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(fēng)速測定中采用相干方式,而對同溫層及中層風(fēng)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(xué)研究,是一種非常有效的

20、方法。鈉熒光共振散射激光雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)與瑞利散射激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)類似。由于中間層頂大氣分子密度很低,瑞利散射信號十分微弱,而該區(qū)域內(nèi)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(shù)量級,因此,利用鈉熒光雷達(dá)研究鈉層分布,進(jìn)而研究重力波等有關(guān)性質(zhì)更顯示其獨有的特性。2001年武漢大學(xué)自籌經(jīng)費研制成功了國內(nèi)第一臺雙波長高空激光雷達(dá)。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(dá)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(jié)構(gòu)和時間變化,辯明中高層大氣中關(guān)鍵的動力學(xué)過程,建立我國上空中高層大氣的密度和溫度模式,

21、為我國的航天活動、國防工程建設(shè)和其他應(yīng)用部門提供空間環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報服務(wù)。5用于海洋烴類污染探測-海面油膜激光熒光探測機(jī)載激光雷達(dá)和船載激光雷達(dá)以及水下激光雷達(dá)被視為海洋科學(xué)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(jù)報道統(tǒng)計,存在于江、河、湖、海中不同濃度的各種有機(jī)物2000多種,其中許多有機(jī)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(shù)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(fā)性物質(zhì)。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(yán)重的危害。進(jìn)入世紀(jì)以來，伴隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展

22、，我國的江河、湖泊以及海洋環(huán)境水體水質(zhì)也遭受到了嚴(yán)重的破環(huán)；水體水質(zhì)污染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(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的海岸帶地區(qū)尤為嚴(yán)重。從年環(huán)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(qū)的重要污染源之一，給生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的壓力。為了實現(xiàn)對油類污染物的監(jiān)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(jiān)測。海岸帶水體石油污染物主要是石油及其提煉產(chǎn)品，一般說來，石油都具有大致相同的物理化學(xué)性質(zhì)，但是不同地區(qū)、不同油層中石油的化學(xué)組成有著明顯的差異。研究發(fā)現(xiàn)，紫外區(qū)域是石油類污染物的激發(fā)效率

23、較高的區(qū)域。在紫外光源的激發(fā)下，由于不同的石油污染物其芳香烴及其衍生物成分不同，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(jìn)行油種的鑒定提供了依據(jù)。而激光具有高亮度、單色性好的優(yōu)點，因此，本測量系統(tǒng)采用紫外激光作為激發(fā)光源，利用激光誘導(dǎo)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(nèi)搭建了一套激光誘導(dǎo)熒光石油光譜探測系統(tǒng)，利用紫外激光作為激發(fā)光源，以九種典型的石油污染物為樣本，測量了其激光誘導(dǎo)熒光特性，分析了不同油種的紫外激光誘導(dǎo)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(jié)果的影響。多年來人們認(rèn)識到探測和鑒別油污,是生態(tài)環(huán)境

24、保護(hù)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。激光熒光方法對烴類指示物的探測,是目前光學(xué)探測中最靈敏的手段,其靈敏度可以達(dá)到10-9量級,它比化學(xué)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(zhì)基礎(chǔ)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(xué)的BLOL海洋激光雷達(dá)已在海上測量海中有機(jī)物熒光,測量濃度小于1mg/m3,即已達(dá)到10-9量級;在實驗室測量油熒光,測量濃度小于1g/L

25、,也即10-9靈敏度水平。如果進(jìn)一步采用高時間分辨率快速光子計數(shù)技術(shù),則有可能達(dá)到10-11靈敏度的水平。這相當(dāng)于可探測1t水中一個直徑為0.27mm的油氣霧粒4。石油產(chǎn)品中包括很多種發(fā)射熒光基質(zhì),如單環(huán)和多環(huán)香族碳?xì)浠衔镆约案鞣N雜環(huán)化合物。這些化合物受到具有適當(dāng)波長和能量的激光照射時,便會發(fā)射特有波長的熒光,熒光光譜直接同物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)相關(guān),這就是用激光誘導(dǎo)熒光方法對石油產(chǎn)品進(jìn)行探測的基礎(chǔ)。利用熒光光譜的強(qiáng)度和形狀作為鑒別石油產(chǎn)品的依據(jù)。海面油膜激光探測系統(tǒng)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(shù)決定。接收器和能量監(jiān)測器都是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號,可根據(jù)不

26、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(dāng)用光電倍增管時,一般要用到掃描系統(tǒng),在熒光譜范圍內(nèi)掃描,用單一的光電倍增管進(jìn)行接收。這樣不僅簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)性能價格比,而且還能簡化系統(tǒng)定標(biāo),有利于數(shù)據(jù)處理。當(dāng)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(tǒng)一般是使用計算機(jī)。這部分系統(tǒng)中要用到模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)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(tǒng)的控制也是由計算機(jī)完成,這有利于系統(tǒng)業(yè)務(wù)化。圖2 海面油膜激光探測系統(tǒng)框圖4Fig.2 Block diagram of

27、 ocean surface oil filmlaser detection system42）海面油膜激光探測參數(shù):目前,海面油膜激光探測技術(shù)主要探測油膜發(fā)射熒光光譜和熒光衰減時間譜。原油和精煉石油產(chǎn)品(機(jī)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(biāo)識特征。從而確定油的種類、油膜的厚度等參數(shù)。此外,激光誘導(dǎo)產(chǎn)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(chǎn)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(dá)對環(huán)境探測(監(jiān)測)的意義與展

28、望·綜上所述,筆者把研究和解決與環(huán)境有關(guān)問題的激光雷達(dá)技術(shù)和方法統(tǒng)稱為環(huán)境探測(監(jiān)測)激光雷達(dá),簡稱為環(huán)境激光雷達(dá)。·國內(nèi)外的研究和實踐表明,激光雷達(dá)方法在探測(監(jiān)測)大氣污染、城市環(huán)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(huán)境監(jiān)測和海洋以及水面烴類污染監(jiān)測提供了新技術(shù)和新方法48。激光雷達(dá)為大氣環(huán)境監(jiān)測提供了重要手段，激光雷達(dá)利用后向散射原理實現(xiàn)對氣溶膠和云的遙感,利用多普勒效應(yīng)實現(xiàn)大氣各高度風(fēng)場的遙感,利用差分吸收和量子散射效應(yīng)實現(xiàn)大氣成分遙感,特別是水汽和臭氧分布。為大氣環(huán)境監(jiān)測提供了重要手段,有力的促進(jìn)了大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)和大氣科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。利用激光熒光光

29、譜測量來區(qū)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(huán)境和進(jìn)一步探查海洋資源積累了經(jīng)驗。·為定量評估氣溶膠等大氣成分對氣候、生態(tài)環(huán)境的影響提供精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)氣溶膠造成一系列的環(huán)境污染問題,如臭氧層的破壞、酸雨的形成、煙霧事件的發(fā)生等,已釀成全球性環(huán)境問題,引起了全世界的重視。利用激光雷達(dá)對大氣成分進(jìn)行監(jiān)測和分析,得到精確度較高的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù),定量化研究評估氣溶膠等大氣成分對氣候、生態(tài)環(huán)境的影響,提高天氣預(yù)報準(zhǔn)確率和有效監(jiān)控大氣污染,可為制定相關(guān)政策提供科學(xué)依據(jù)。· 研制新型的激光器激光器是激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分之一2,3,9,應(yīng)加速研制新型的激光器。目前,半導(dǎo)

30、體激光器應(yīng)用和發(fā)展的很快,而固體激光器的發(fā)展方向是:研制和完善大能量、高功率的固體激光器、可調(diào)諧固體激光器、LD泵浦固體激光器和光纖激光器。· 完善和建立激光大氣遙感系統(tǒng)和激光雷達(dá)探測(監(jiān)測)觀測網(wǎng) 激光雷達(dá)不僅能探測和跟蹤目標(biāo),獲得目標(biāo)的方位、速度等信息,激光雷達(dá)還具有極高的分辨能力和方向性,且波束發(fā)散角小,抗干擾能力強(qiáng)和體積小等優(yōu)點。這樣,大大促進(jìn)了激光大氣遙感技術(shù)的發(fā)展,即發(fā)展星載激光雷達(dá)技術(shù),建立裝載激光雷達(dá)探測云和氣溶膠的空間觀測系統(tǒng)10,11。此外,完善和建立地基固定式和車載激光雷達(dá)觀測網(wǎng),監(jiān)測城市和重點工程以及主要污染源的空氣質(zhì)量變化,也是大氣和環(huán)境污染監(jiān)測工作的發(fā)展趨勢。參考文獻(xiàn): 1楊義彬.激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展及其在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用J.成都信息工程學(xué)院學(xué)報,2005,20(6):725727.2梁路光,趙大源.醫(yī)用物理學(xué)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(shù)M.北京:電子工業(yè)出版社, 2003.4閻吉祥,龔順生,劉智深.環(huán)境監(jiān)測激光雷達(dá)M.北京:科學(xué)出版社,2001.5 Hoge F E,Wright C W,Swift R N, et al. AirborneLaser -Induced Oceanic Chlorophyll Fluorescence:Solar -Induc