激光在环境保护中的应用(共18页)

精选优质文档-倾情为你奉上激光在环境保护中的应用 迟春航 崔家珮 李言激光在环境保护中的应用引 言：环境调查和环境保护是公益性地质调查和监测工作。用科学发展观统领环境保护工作,推动环境调查和监测的科技进步,加快高新技术在环境保护领域的应用,是每个科技工作者义不容辞的责任。一、激光与激光雷达的概述激光激光是一种新型光源,激光是Laser(LightAmplification for Stimulated Emission of Radia-tion)的中译名,意即是光受激辐射放大。激光优良的性能,使它很快在许多领域得到广泛的应用,至今已深入到工业、农业、医学、生物、物理、化学、军事、日常生活等几乎所有领域。应用激光技术研究和解决与环境有关的问题,是激光技术应用的新领域。激光雷达激光雷达是集激光技术、光学技术和微弱信号探测技术于一体而发展起来的一种现代化光学遥感手段。激光雷达由于探测波长的缩短、波束定向性的增强,能量密度的提高,因此具有高空间分辨率、高的探测灵敏度、能分辨被探测物种和不存在探测盲区等优点,已经成为目前对大气、海洋和陆地进行高精度遥感探测的有效手段,广泛地应用于环境监测、航天、通信、导航和定位等高新技术领域。激光雷达可以探测气溶胶、云粒子的分布和风场的垂直廓线,也可以进行大气成分、污染环境气体的探测,对主要污染源、城市上空污染环境物的扩散、沙尘暴过程等进行有效监测。从而进行天气预报和监控大气污染。激光雷达主要由激光光源、激光发射与接收光学及机械系统、信号接收采集系统、控制系统、系统软件、整体结构等部分组成。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式,探测方法分直接探测与外差探测,通过发射一定频率的激光脉冲,激光雷达把短激光脉冲发射到大气层,沿着它的轨迹,光被小粒子散射开(米式散射),并且也被空气分子散射开(瑞利散射)。反向散射到激光雷达系统的少许光被望远镜和敏感的检测器接收,接收机信号被得到,作为一个时间函数。由于光的等速性,时间与散射器的距离有关,因此空间信息沿着电子束轨迹被检测。通过接收空气中的粒子和分子散射回来的信号强度和频移,从而探测气溶胶的三维分布和径向速度。具有极高的角分辨能力、距离分辨能力、抗干扰能力强等特点。激光雷达的发展概述在大气污染探测激光雷达方面,近年来倾向于发展探测灵敏度很高的差分吸收激光雷达,用于城市大气环境和城市污染源的高时空分辨率探测。德国、美国、意大利和瑞典等国已分别研制成功车载式差分吸收激光雷达和拉曼激光雷达。美国、德国、英国、加拿大、日本等发达国家都建有用于大气污染测量的激光雷达系统,并在环境监测中发挥着重要作用。大气污染和环境监测工作中,地基固定式和车载激光雷达有布点成网趋势,机载激光雷达在发达国家开始部署,一系列空间激光雷达计划已开始执行。测量对象以SO2、NOX、O3、气溶胶、有机气体为主。探测方法以高灵敏度的差分吸收和米氏后向散射方法为主。激光器发展趋势是使用半导体激光器泵浦的全固化激光器,使用掺钛宝石等新型可调谐固体激光器。 我国的激光雷达研制技术已日趋成熟。中科院大气物理所的研制水平在国内外有较大影响,武汉物理所以及空间中心等单位也进行了相关的研究实验。国内中科院大气物理所研制了我国第一台激光雷达,还研制了测量斜程大气能见度YAG激光雷达。中科院武汉物理与数学研究所研制成功瑞利散射激光雷达、钠层荧光激光雷达和拉曼散射激光雷达。中科院安徽光机所的激光雷达技术研究取得了突出的成就,已先后研制成功我国第一台测污激光雷达即监测乙烯的JC-1激光雷达、平流层气溶胶探测L625激光雷达、可移动双波长对流层和近地层气溶胶探测L300激光雷达、我国第一台平流层臭氧探测UV-DIAL差分激光雷达、机载激光雷达、大气环境监测车载激光雷达L625大气探测激光雷达是我国最大的探测平流层气溶胶、水汽、臭氧、温度等综合性大气探测研究激光雷达等系统,L300可移动式激光雷达是我国第一台自行研制的0153和1106微米双波长激光雷达,主要用于探测气溶胶消光系数和大气能见度。差分吸收激光雷达系统利用大气对光的米氏弹性散射原理和差分吸收测量技术,可对大气对流层的SO2、NO2、O3和飘尘等污染物的三维空间分布和动态变化进行测量。YAG激光雷达由于具有测量区域广、精度高且激光能量损耗小等优点将被广泛用于大气环境监测工作。美国近年在航天飞机上计划采用的是YAG激光雷达;俄罗斯于1991年开始从事太空激光雷达的实验工作,被安装在第三代宇航站上的同样也是YAG激光雷达;而日本的宇宙开发事业团从20世纪90年代开始就己把目标放在宇宙激光雷达的开发上,预计在近期即将发射升空的还是YAG激光雷达。 激光的特性激光雷达充分利用了激光的优良性能,激光的优良性能是由激光的特性所决定的。目前,可由电介质固体、半导体、气体、液体等多种激光器产生激光。不同激光器具有不同的特点,这些特点汇集如下2、3:1)单色性好。激光是一种新型光源,激光是世界上发光颜色最单纯的光源。有些激光器的波长还能通过各种方法调谐,能在一定的波长范围产生窄线宽激光,目前,线宽已小于10-10nm,甚至更小。近年来,其波长已扩展到X射线波段;2)高亮度是激光器最突出的优点。通常将单位面积、单位光谱宽度、单位立体角内发出的光辐射强度称为光源单色亮度L= P/(SV2)式中P为光功率,S为受光面积,v为光辐射的频谱宽度,为光束发散角。激光的发散角很小,光谱宽度很窄,因而单色亮度很高,一些高功率激光器的单色亮度比太阳要高100万亿倍;3)方向性好。激光是由受激辐射过程产生的,本身具有极好的方向性。光束的方向性用发散角表示。通常气体激光器的发散角较小,接近衍射极限,小于10-3rad。例如,从地球上发射一束激光到相距38万公里远的月球上,光束直径只有几十米,这是普通光源达不到的。4)相干性好。激光的相干性可用相干时间或相干长度来表示。相干时间和相干长度都与光束的频谱宽度有关。由于激光比普通光源的频谱宽度小得多,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,其相干长度可达2107km;5)高功率和高能量。激光器能在极短的时间(如10-12s,10-15s)内,可以产生极高的峰值功率。例如,国际上现在竞相研究的核聚变用激光器,输出峰值功率可达1018W。许多连续、准连续或脉冲运转的高功率激光器,能产生很高的激光能量。如某些核聚变用激光器的激光能量可达1.8MJ,因此,利用激光作为能量载体的应用与日俱增;6)高速调制。激光器,特别是半导体激光器,不仅具有合适的波长和高的输出功率,能聚焦成很小的光斑,还可对激光直接进行高速调制,调制速度可高达几万兆赫。这一特点,再加上半导体激光器的体积小、效率高、寿命长、价格低廉等其他特点,便使它特别适合光通信、光存储、光计算、光印刷等信息领域的需要。激光雷达的基本工作原理概述前已述及,激光雷达是集激光技术、光学技术和微弱信号探测技术于一体而发展起来的一种现代化光学探测手段。激光雷达最基本的工作原理与普通雷达类似,即由发射系统发送信号,该信号与目标作用产生的返回信号被接收系统收集并处理,以获得所需要的信息。但是,激光雷达的发射信号为激光。比普通无线电雷达发送的无线电波乃至毫米波雷达发送的毫米波的波长短,在通常的情况下,比无线电波波长小35个数量级,为波长极短的单色光子(能量约3.1eV)。图1 激光雷达原理框图4Fig.1 Block diagram of laser radarworking principle4(1.激光器;2.光束整形系统;3.发射望远镜;4.发射扫描系统;5.接收扫描系统;6.接收望远镜;7.光电探测器;8.计算机与时序控制装置;9.存储和显示装置)当电磁波在传播路径上遇到尺寸比波长小的物体时,波的大部分能流绕过物体继续向前传播(衍射)。普通无线电雷达无法探测大量的小型目标,即使是毫米波雷达,也探测不到直径很小的线状目标或微粒。用于激光雷达系统的激光波长一般只有微米(m)量级,足以探测包括很细的导线及粒子等微小目标。一个最基本的激光雷达系统如图1所示,激光器发出的激光经整形和扩束后由发射扫描系统向目标发射,返回信号经接收扫描进入接收系统,随后被送往光电探测器,光信号在这里转变为电信号,并进入计算机进行处理,经处理的信号可以适当方式存储或显示,计算机除进行数据处理外,还对激光发射和探测器门电路实行时序控制。激光雷达的类型激光雷达分类方式有多种,在此仅按激光雷达结构、接收信号方式和工作空间进行分类。激光雷达按其结构可分为单稳态与双稳态系统两类。双稳态系统中发射部分与接收部分异地放置,目的是提高空间分辨率。当前,脉宽为ns级的激光可提供相当高的空间分辨率,故双稳态系统已很少采用。单稳态系统往往是单端系统,即发射与接收信号共用一个光学孔径,并由发送/接收(T/R)开关隔离4。按激光雷达接收信号的方式,又形成不同用途的激光雷达系统。激光雷达接收的信号可以是反射信号,也可以是弹性散射信号(包括瑞利(Rayleigh)散射或米(Mie)散射),还可以是吸收衰减的信号、共振散射信号、荧光信号、拉曼(Ra-man)散射信号以及差分吸收散射信号等,形成了不同用途的激光雷达系统。例如,散射型激光雷达、吸收型激光雷达、激光荧光雷达、拉曼激光雷达和差分吸收激光雷达等。按激光雷达系统的工作空间,又分为地面固定式(地基固定)、车(船)载激光雷达、机载激光雷达和星载激光雷达以及地对空探测激光雷达等。二、 激光雷达在环境监测中的应用1 大气污染物分布的观测 低空大气中存在着丰富的被称之为气溶胶的漂浮粒子,它是造成大气污染的主要因素。当激光雷达发出的激光与这些漂浮粒子发生作用时会发生散射,而且入射光波长与漂浮粒子的尺度为同一数量级,散射系数与波长一次方成反比,米氏散射激光雷达依据这一性质可完成气溶胶浓度、空间分布及能见度的测定。同时可监测沙尘暴的起源、传输途径以及它的沉降过程。以利于各地根据沙尘暴的不同起源采取不同对策,利用植树造林等干扰手段改变或阻断沙尘暴的传播路径。对大气及其污染探测时,可选用地基固定式、星载激光雷达、机载激光雷达和地对空激光雷达进行。在实际工作中,不同的工作目的和探测目标选用了不同的激光雷达系统,例如:利用Mie散射激光雷达探测大气悬浮尘埃和气溶胶。气溶胶造成一系列的环境污染问题,如臭氧层的破坏、酸雨的形成、烟雾事件的发生等,已酿成全球性环境问题。当激光穿过大气与大气粒子相互作用,Mie散射的微分散射几率最大,比Rayleigh散射和Raman散射的几率高1018和1021左右。因此,大气中即使是少量的低浓度悬浮尘埃和气溶胶,也可以根据Mie散射探测来确定它们的成分及污染程度,得到精确度较高的基础性数据,定量化研究评估气溶胶等大气成分对气候、生态环境的影响,提高天气预报准确率和有效监控大气污染,可为制定相关政策提供科学依据。可以利用Rayleigh散射激光雷达探测破坏大气臭氧层的氟利昂系列。Rayleigh散射是大气原子或分子的弹性散射,其后向散射截面比较大,因此,Rayleigh散射激光雷达适用于中层大气成分变化的探测。利用Raman激光雷达监测羽状的气体污染源。Raman散射是激光作用于物质粒子产生的非弹性散射过程。散射光子与入射光子能量之差决定于散射物体成分,由于散射截面较小,探测灵敏度有限,因此,Raman激光雷达非常适用对工厂和汽车排放羽状的污染源进行监测。Raman激光雷达在20世纪70年代得到迅速发展。近年来,发展了探测灵敏度很高的差分吸收激光雷达,用于城市大气环境和城市污染源的高分辨率探测。测量对象以SO2、NOX、O3、气溶胶、有机气体为主。探测方法以高灵敏度的差分吸收和米氏后向散射方法为主。L625大气探测激光雷达是我国最大的探测平流层气溶胶、水汽、臭氧、温度等综合性大气探测研究的激光雷达系统,L300可移动式激光雷达是我国第一台自行研制的0.53m和1.06m双波长激光雷达,主要用于探测气溶胶消光系数和大气能见度。差分吸收激光雷达系统利用大气对光的米氏弹性散射原理和差分吸收测量技术,可对大气对流层的SO2、NOX、O3和飘尘等污染物的三维空间分布和动态变化进行测量。YAG激光雷达由于具有测量区域广、精度高且激光能量损耗小等优点已被广泛用于大气环境监测工作。2大气成分的观测差分吸收激光雷达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。它主要用于大气成分的测定,其中包括水蒸汽、臭氧及大气污染体的空间浓度分布等。差分吸收激光雷达的测量原理是使用激光雷达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线,而另一波长调到线上吸收系数较小的边翼,然后以高重复频率将这两种波长的光交替发射至大气中。此时由于激光雷达所测量到的这两种波长光信号衰减差是待测对象的吸收所致,因此通过数据分析,便可得到待测对象的浓度分布,从而达到测量目的。3. 气象要素的观测在大气环境污染观测中有关风速、气温、湿度等气象要素是不可缺少的重要参数。近年来利用拉曼散射与温度关系制成的拉曼散射激光雷达己有广泛的应用。在使用拉曼散射激光雷达对温度进行测量时,既可通过转动拉曼散射激光雷达加以实现,也可利用振动拉曼散射激光雷达来获得,后者更适合低层大气中高精度气温的测定。利用多普勒激光雷达可以测量风速,就其工作方式而言,分为相干方式及非相干方式。通常在对流层风速测定中采用相干方式,而对同温层及中层风速测定中,通常采用非相干方式。4中间层金属蒸气层的观测在距地面80 -120km的中间层顶部及电离层底部存在着较丰富的金属蒸气层,如Na, K,Li,Ca,Fe等。以这些金属原子作为示踪物开展大气动力学研究,是一种非常有效的方法。钠荧光共振散射激光雷达的基本结构与瑞利散射激光雷达结构类似。由于中间层顶大气分子密度很低,瑞利散射信号十分微弱,而该区域内的钠金属原子层由于其共振荧光截面比瑞利散射截面高几个数量级,因此,利用钠荧光雷达研究钠层分布,进而研究重力波等有关性质更显示其独有的特性。2001年武汉大学自筹经费研制成功了国内第一台双波长高空激光雷达。工作波长为532nm(瑞利模式)和589nm(钠荧光模式),利用瑞利和钠荧光激光雷达回波,获取地球上空30 -80 km高度范围大气密度和85 -105km钠层的密度与温度的空间结构和时间变化,辩明中高层大气中关键的动力学过程,建立我国上空中高层大气的密度和温度模式,为我国的航天活动、国防工程建设和其他应用部门提供空间环境监测和预报服务。5用于海洋烃类污染探测-海面油膜激光荧光探测机载激光雷达和船载激光雷达以及水下激光雷达被视为海洋科学研究主流方法之一。用于探测浅海水深、温度、海浪、海洋叶绿素、油污以及海洋油气勘查等。据报道统计,存在于江、河、湖、海中不同浓度的各种有机物2000多种,其中许多有机污染物直接威胁人类健康,或伤害水中生物。各种油类是最常见和数量最大的水体污染物。海洋污染的主要是原油、汽油、石油溶剂以及多种挥发性物质。水体污染物大都有毒。水中的浮油可以形成亚微米厚的薄膜,因此,极少量油污便能形成严重的危害。进入世纪以来，伴随着国民经济的高速发展，我国的江河、湖泊以及海洋环境水体水质也遭受到了严重的破环；水体水质污染不但会损害生物资源，也会危害人类健康、妨碍人类活动，这种情况在经济较为发达的海岸带地区尤为严重。从年环保部第一次污染源普查公报可以看出，近海石油污染是我国沿海地区的重要污染源之一，给生态环境带来了巨大的压力。为了实现对油类污染物的监测与油源鉴定，目前实验室常用的手段是色谱分离法，此法可对多个组分加以测定，但耗时较长，步骤繁琐，不利于实时监测。海岸带水体石油污染物主要是石油及其提炼产品，一般说来，石油都具有大致相同的物理化学性质，但是不同地区、不同油层中石油的化学组成有着明显的差异。研究发现，紫外区域是石油类污染物的激发效率较高的区域。在紫外光源的激发下，由于不同的石油污染物其芳香烃及其衍生物成分不同，造成的荧光光谱存在较大的差异，这为我们利用荧光光谱进行油种的鉴定提供了依据。而激光具有高亮度、单色性好的优点，因此，本测量系统采用紫外激光作为激发光源，利用激光诱导荧光的方式获取不同种类的石油样品的荧光光谱。为了研究不同种类的石油污染物的荧光特性，实验室内搭建了一套激光诱导荧光石油光谱探测系统，利用紫外激光作为激发光源，以九种典型的石油污染物为样本，测量了其激光诱导荧光特性，分析了不同油种的紫外激光诱导荧光光谱特征，并探讨了在相同入射角的情况下不同接收角度对探测结果的影响。多年来人们认识到探测和鉴别油污,是生态环境保护和治理中的重要因素。海面油膜激光荧光探测是目前鉴别水体污染的主要方法。激光荧光方法对烃类指示物的探测,是目前光学探测中最灵敏的手段,其灵敏度可以达到10-9量级,它比化学分析方法、物理电化分析(均需采样)的灵敏度高几个量级,因此,是受到重视且有前途的方法。由于它又是探测潜艇尾迹(渗油)的一种潜在手段,因此,又受到军事部门的重视。1）海面油膜激光荧光探测的物质基础是:由于油气烃类有较大的散射截面,因此,激光荧光方法比其它光谱方法有较高的灵敏度。青岛海洋大学的BLOL海洋激光雷达已在海上测量海中有机物荧光,测量浓度小于1mg/m3,即已达到10-9量级;在实验室测量油荧光,测量浓度小于1g/L,也即10-9灵敏度水平。如果进一步采用高时间分辨率快速光子计数技术,则有可能达到10-11灵敏度的水平。这相当于可探测1t水中一个直径为0.27mm的油气雾粒4。石油产品中包括很多种发射荧光基质,如单环和多环香族碳氢化合物以及各种杂环化合物。这些化合物受到具有适当波长和能量的激光照射时,便会发射特有波长的荧光,荧光光谱直接同物质的分子结构相关,这就是用激光诱导荧光方法对石油产品进行探测的基础。利用荧光光谱的强度和形状作为鉴别石油产品的依据。海面油膜激光探测系统框图如图2所示。在图2中,激励光源是激光器,激光器的选择由所需要测量荧光参数决定。接收器和能量监测器都是将光信号转化为电信号,可根据不同需要选择,其中比较常用的,也是精度比较高的是光电倍增管。当用光电倍增管时,一般要用到扫描系统,在荧光谱范围内扫描,用单一的光电倍增管进行接收。这样不仅简化系统结构,提高系统性能价格比,而且还能简化系统定标,有利于数据处理。当用光电二极管作为接收器时,一般要用到光电二极管阵列。每个二极管固定接收某一波长的荧光信号。信号处理与存储系统一般是使用计算机。这部分系统中要用到模拟信号向数字信号的转化,可用A/D电路或OMA(光多道分析仪)完成,其中OMA性能较好,但价格昂贵。整个系统的控制也是由计算机完成,这有利于系统业务化。图2 海面油膜激光探测系统框图4Fig.2 Block diagram of ocean surface oil filmlaser detection system42）海面油膜激光探测参数:目前,海面油膜激光探测技术主要探测油膜发射荧光光谱和荧光衰减时间谱。原油和精炼石油产品(机油)的荧光光谱线,无论形状还是峰值位置均有明显差异,足以用来识别油的品种;各类油的荧光衰减时间谱差别很大,是一种很好的标识特征。从而确定油的种类、油膜的厚度等参数。此外,激光诱导产生Raman光谱,可以用于探测水面油膜厚度。激光束照射油膜覆盖的水面,激光透过油膜在水油界面产生水的后向Ra-man散射光,再次通过油膜被探测器接收,即可精确计算油膜厚度。三、激光雷达对环境探测(监测)的意义与展望综上所述,笔者把研究和解决与环境有关问题的激光雷达技术和方法统称为环境探测(监测)激光雷达,简称为环境激光雷达。国内外的研究和实践表明,激光雷达方法在探测(监测)大气污染、城市环境污染和海洋烃类污染等方法取得了明显的效果。为大气环境监测和海洋以及水面烃类污染监测提供了新技术和新方法48。激光雷达为大气环境监测提供了重要手段，激光雷达利用后向散射原理实现对气溶胶和云的遥感,利用多普勒效应实现大气各高度风场的遥感,利用差分吸收和量子散射效应实现大气成分遥感,特别是水汽和臭氧分布。为大气环境监测提供了重要手段,有力的促进了大气环境监测技术和大气科学技术的发展。利用激光荧光光谱测量来区分海水不同的油膜方面已取得了明显的效果,为人类净化环境和进一步探查海洋资源积累了经验。为定量评估气溶胶等大气成分对气候、生态环境的影响提供精确的基础数据气溶胶造成一系列的环境污染问题,如臭氧层的破坏、酸雨的形成、烟雾事件的发生等,已酿成全球性环境问题,引起了全世界的重视。利用激光雷达对大气成分进行监测和分析,得到精确度较高的基础性数据,定量化研究评估气溶胶等大气成分对气候、生态环境的影响,提高天气预报准确率和有效监控大气污染,可为制定相关政策提供科学依据。 研制新型的激光器激光器是激光雷达发射系统的重要组成部分之一2,3,9,应加速研制新型的激光器。目前,半导体激光器应用和发展的很快,而固体激光器的发展方向是:研制和完善大能量、高功率的固体激光器、可调谐固体激光器、LD泵浦固体激光器和光纤激光器。 完善和建立激光大气遥感系统和激光雷达探测(监测)观测网 激光雷达不仅能探测和跟踪目标,获得目标的方位、速度等信息,激光雷达还具有极高的分辨能力和方向性,且波束发散角小,抗干扰能力强和体积小等优点。这样,大大促进了激光大气遥感技术的发展,即发展星载激光雷达技术,建立装载激光雷达探测云和气溶胶的空间观测系统10,11。此外,完善和建立地基固定式和车载激光雷达观测网,监测城市和重点工程以及主要污染源的空气质量变化,也是大气和环境污染监测工作的发展趋势。参考文献: 1杨义彬.激光雷达技术的发展及其在大气环境监测中的应用J.成都信息工程学院学报,2005,20(6):725727.2梁路光,赵大源.医用物理学M.北京:高等教育出版社, 2005.3安毓英,刘继芳,李庆辉.光电子技术M.北京:电子工业出版社, 2003.4阎吉祥,龚顺生,刘智深.环境监测激光雷达M.北京:科学出版社,2001.5 Hoge F E,Wright C W,Swift R N, et al. 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