大氣探測(cè)激光雷達(dá)的分類和特征

韓雪，周晨

（南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京，210023）

激光雷達(dá)探測(cè)是一種主動(dòng)式遙感觀測(cè)技術(shù)，其原理為向目標(biāo)物發(fā)射激光，通過(guò)測(cè)量激光回波信號(hào)的屬性來(lái)獲取目標(biāo)物的屬性.激光具有單色性好、相干性強(qiáng)、方向性強(qiáng)以及高功率、高分辨率等優(yōu)良特性［1］，這使得激光雷達(dá)在大氣探測(cè)中擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)云、氣溶膠、大氣成分和風(fēng)等目標(biāo)進(jìn)行大尺度、多模式的全天候連續(xù)觀測(cè)［2］，自出現(xiàn)起便被各個(gè)領(lǐng)域所重視與應(yīng)用.

大氣探測(cè)激光雷達(dá)的發(fā)展可追溯至20 世紀(jì)60 年代.1963 年，世界首臺(tái)紅寶石米散射激光雷達(dá)誕生于美國(guó)［3］，我國(guó)隨之也開(kāi)展了一系列激光大氣探測(cè)研究.早期的激光雷達(dá)通常體積龐大且操作復(fù)雜.隨著技術(shù)水平的提高，激光雷達(dá)越來(lái)越向著小型化、多功能化的方向發(fā)展，所搭載的平臺(tái)也由地基平臺(tái)擴(kuò)展至空基、天基（星載）平臺(tái).隨著大氣探測(cè)激光雷達(dá)數(shù)量的增多，越來(lái)越多的激光雷達(dá)以組網(wǎng)的形式加入了地球大氣的綜合觀測(cè).美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration,NASA）以測(cè)量氣溶膠和云的垂直結(jié)構(gòu)及邊界層高度為目標(biāo)，建設(shè)了以微脈沖米散射激光雷達(dá)為主的微脈沖激光雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)MPLNET（the NASA Micro Pulse Lidar Network）［4］；日本建設(shè)了以偏振激光雷達(dá)為主的東亞沙塵觀測(cè)激光雷達(dá)網(wǎng)AD-net（the Asian Dust and Aerosol Lidar Observation Network）用于對(duì)亞洲沙塵進(jìn)行觀測(cè)［5-6］；我國(guó)也建成了“一帶一路”激光雷達(dá)網(wǎng)等多個(gè)聯(lián)網(wǎng)激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng).

由于激光雷達(dá)種類繁多，各類激光雷達(dá)之間存在顯著差異，過(guò)去的綜述文獻(xiàn)常常會(huì)對(duì)激光雷達(dá)進(jìn)行分類介紹.例如，王青梅和張以謨［7］介紹了半導(dǎo)體激光雷達(dá)、微脈沖激光雷達(dá)、彈性散射激光雷達(dá)、多普勒激光雷達(dá)、差分吸收激光雷達(dá)以及拉曼激光雷達(dá)等六種激光雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)；田曉敏等［8］介紹了米散射激光雷達(dá)、偏振激光雷達(dá)、拉曼激光雷達(dá)、差分吸收激光雷達(dá)、高光譜分辨率激光雷達(dá)、瑞利散射激光雷達(dá)、共振熒光激光雷達(dá)和多普勒激光雷達(dá)等八種不同探測(cè)技術(shù)的激光雷達(dá)；黃忠偉等［9］介紹了米散射激光雷達(dá)、偏振激光雷達(dá)、拉曼激光雷達(dá)、高光譜分辨率激光雷達(dá)、熒光激光雷達(dá)、沙式激光雷達(dá)、CCD 激光雷達(dá)和LED 光源雷達(dá)等八種氣溶膠激光雷達(dá).顯然，不同文獻(xiàn)介紹激光雷達(dá)時(shí)使用的分類方法和標(biāo)準(zhǔn)并不相同.

本文使用多種分類方式對(duì)當(dāng)前氣象探測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的常見(jiàn)激光雷達(dá)進(jìn)行系統(tǒng)全面的整理和歸納，并簡(jiǎn)要介紹不同激光雷達(dá)的原理及其特點(diǎn)，為今后的探測(cè)工作提供更清晰、全面的激光雷達(dá)分類概覽.

1 激光雷達(dá)的分類

下表展示了本文對(duì)常見(jiàn)大氣探測(cè)激光雷達(dá)的幾種不同分類，其中左列為分類的方式，右列為每一種分類方式下的常見(jiàn)激光雷達(dá)類型.

1.1 按照觀測(cè)角度進(jìn)行分類按照觀測(cè)角度，可以將激光雷達(dá)分為后向散射激光雷達(dá)和側(cè)向成像激光雷達(dá)兩大類.后向散射激光雷達(dá)根據(jù)激光傳輸一定距離所對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲來(lái)進(jìn)行測(cè)距（脈沖法測(cè)距、相位法測(cè)距），而側(cè)向成像激光雷達(dá)一般使用空間關(guān)系來(lái)進(jìn)行測(cè)距（三角測(cè)距）.

1.1.1 后向散射激光雷達(dá)大部分激光雷達(dá)都屬于后向散射激光雷達(dá)，其工作原理為向目標(biāo)方向發(fā)射激光，在鄰近激光器的位置收集目標(biāo)物的后向散射回波，并通過(guò)激光與回波信號(hào)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算目標(biāo)物與激光雷達(dá)間的距離.此外，它還能根據(jù)回波的強(qiáng)度、偏振度和頻譜來(lái)判斷目標(biāo)物的屬性.

表 常見(jiàn)的激光雷達(dá)分類方法Table Common lidar classification methods

后向散射激光雷達(dá)一般發(fā)射脈沖激光，通過(guò)脈沖法進(jìn)行測(cè)距.如果脈沖的前沿在t時(shí)刻發(fā)射，脈沖寬度為τ，那么脈沖的后沿發(fā)射時(shí)間為t+τ.對(duì)于在t+Δt時(shí)刻接收到的回波信號(hào)，脈沖前沿與回波的時(shí)間差為Δt，而脈沖后沿與回波的時(shí)間差為Δt-τ，因此這個(gè)脈沖與其對(duì)應(yīng)的回波之間的時(shí)間差介于Δt和Δt-τ之間.忽略多次散射對(duì)光程的影響，用c代表光速，可以計(jì)算出t+Δt時(shí)刻接收到的回波信號(hào)所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)物距離為.顯然，測(cè)距存在不確定性，而距離的不確定區(qū)間長(zhǎng)度便是激光測(cè)距能達(dá)到的最高精度.此外，后向散射激光雷達(dá)還可以通過(guò)經(jīng)過(guò)調(diào)制的連續(xù)光波在傳輸過(guò)程中的相位變化來(lái)進(jìn)行測(cè)距，但這種測(cè)距方法在大氣探測(cè)中的應(yīng)用不多.

后向散射激光雷達(dá)觀測(cè)到的信號(hào)不一定是正后向散射光，其觀測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的散射角與接收裝置的結(jié)構(gòu)有關(guān).采用異軸結(jié)構(gòu)和同軸異路徑結(jié)構(gòu)［10］的后向散射激光雷達(dá)（圖1a 和圖1b），其觀測(cè)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的散射角會(huì)略微偏離180°的后向散射角，這使得觀測(cè)信號(hào)基本不會(huì)受到粒子多次散射所產(chǎn)生的相干后向增強(qiáng)效應(yīng)的影響，但它依然會(huì)受到大粒子單次散射的后向散射相干增強(qiáng)效應(yīng)的影響［11］.圖1c 中的激光和回波的路徑有一部分完全重合，能夠直接探測(cè)正后向散射信號(hào)，其回波會(huì)受到各種后向散射相干增強(qiáng)效應(yīng)的影響.由于異軸結(jié)構(gòu)和同軸同路徑結(jié)構(gòu)激光雷達(dá)在探測(cè)湍流的相干后向散射時(shí)存在巨大差異，Banakh and Razenkov［12］設(shè)計(jì)了一個(gè)包含同路徑和異路徑光路的激光雷達(dá)，用來(lái)進(jìn)行湍流的相干后向散射研究.

圖1 幾種不同結(jié)構(gòu)的后向散射激光雷達(dá)系統(tǒng)示意圖，其回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的散射角有著微小差異Fig.1 Backscatter lidar systems with different scattering angles

對(duì)于異軸和同軸異路徑后向散射激光雷達(dá)，由于激光束與視場(chǎng)的不完全重合（圖2），大量近場(chǎng)回波信號(hào)無(wú)法被激光雷達(dá)傳感器完全接收，而遠(yuǎn)場(chǎng)的回波則大部分處于視場(chǎng)的范圍之內(nèi)，因此需要使用重疊函數(shù)（幾何校正因子）來(lái)描述激光束與視場(chǎng)之間的幾何關(guān)系對(duì)激光雷達(dá)回波信號(hào)的影響［13］.重疊函數(shù)是距離的函數(shù)，在臨近區(qū)域趨近于0，而在遠(yuǎn)場(chǎng)趨近于恒定值.因此，重疊函數(shù)G(r)可以定義為在距離r處傳感器所接收到的回波強(qiáng)度與到達(dá)激光雷達(dá)接收面的回波強(qiáng)度的比例，除以遠(yuǎn)場(chǎng)傳感器所接收到的回波強(qiáng)度與到達(dá)激光雷達(dá)接收面的回波強(qiáng)度的比例.對(duì)于異軸和同軸異路徑激光雷達(dá)，鄰近區(qū)域的重疊函數(shù)為0，因此會(huì)形成一個(gè)盲區(qū)（圖2）；隨著距離的增加，重疊函數(shù)的值增加，但在回波信號(hào)強(qiáng)度小于后脈沖噪聲的過(guò)渡區(qū)域，依然無(wú)法有效地進(jìn)行遙感反演，嚴(yán)重影響地基激光雷達(dá)對(duì)近地面的探測(cè).同路徑激光雷達(dá)則在理論上沒(méi)有近場(chǎng)盲區(qū).

圖2 異軸結(jié)構(gòu)激光雷達(dá)系統(tǒng)中重疊函數(shù)的影響Fig.2 Illustration of overlap function in an off-axis lidar system

后向散射激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)距精度高，且測(cè)距精度不會(huì)隨距離的變化而降低，所以大部分應(yīng)用于大氣探測(cè)的激光雷達(dá)都屬于后向散射激光雷達(dá).不過(guò)，由于存在盲區(qū)，其回波能量會(huì)隨著探測(cè)距離的增加而急劇衰減，因此后向散射激光雷達(dá)探測(cè)遠(yuǎn)距離的微弱信號(hào)時(shí)，可能需要降低測(cè)距精度來(lái)提升信噪比.另外，后向散射激光雷達(dá)對(duì)激光光源的要求較高，所以成本也相對(duì)較高.此外，在白天可見(jiàn)光波段的后向散射激光雷達(dá)還會(huì)受到背景光的干擾.

1.1.2 側(cè)向成像激光雷達(dá)側(cè)向成像激光雷達(dá)［14］是一種成本較低的激光雷達(dá)，其工作原理為使用成像系統(tǒng)對(duì)激光束進(jìn)行拍照，計(jì)算每個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的回波傳播方向，并通過(guò)傳播方向和激光束的幾何信息計(jì)算像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的距離.

側(cè)向成像激光雷達(dá)有兩種，一種是常規(guī)成像激光雷達(dá)（圖3a），其接收系統(tǒng)是一個(gè)使用常規(guī)成像鏡頭的CCD 相機(jī)，一般距激光源十幾米到幾百米.該系統(tǒng)中回波的強(qiáng)度與激光器距CCD 相機(jī)的距離成反比，但并不會(huì)直接因目標(biāo)物距離的變化而產(chǎn)生劇烈衰減，在近場(chǎng)的測(cè)距精度高，而遠(yuǎn)場(chǎng)的測(cè)距精度則很低.

圖3 兩種側(cè)向成像激光雷達(dá)Fig.3 Two types of lateral imaging lidars

另一種被稱為沙氏激光雷達(dá)［15］，采用沙氏成像系統(tǒng)進(jìn)行成像（圖3b），其遙感原理與CCD 成像激光雷達(dá)類似，但激光、透鏡組與傳感器之間的幾何關(guān)系與CCD 成像激光雷達(dá)不一樣，其相鄰像素所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)物間距不會(huì)隨著距離的增加而急劇降低.和CCD 成像激光雷達(dá)相比，沙氏激光雷達(dá)的接收系統(tǒng)與發(fā)射系統(tǒng)之間的距離較近，因此可以固定在同一個(gè)底座上，方便進(jìn)行掃描觀測(cè).但是，受到激光束發(fā)散的影響，其有效測(cè)距精度依然會(huì)隨著距離的增加而急劇降低.

與后向散射激光雷達(dá)相比，側(cè)向成像激光雷達(dá)的成本較低，近場(chǎng)不存在盲區(qū)，而且常規(guī)成像激光雷達(dá)無(wú)須進(jìn)行幾何校正因子的校準(zhǔn)，因此非常適合邊界層的探測(cè).其主要缺點(diǎn)在于有效測(cè)距精度會(huì)隨著距離的增加而急劇降低，對(duì)高空的探測(cè)能力較差.此外，可見(jiàn)光波段的側(cè)向成像激光雷達(dá)在白天還會(huì)受到背景光的嚴(yán)重影響.

1.2 按照觀測(cè)系統(tǒng)的光譜特征進(jìn)行分類特定波長(zhǎng)的激光和大氣發(fā)生相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的回波信號(hào)，而激光雷達(dá)的觀測(cè)系統(tǒng)會(huì)選擇一個(gè)或多個(gè)具有不同光譜響應(yīng)函數(shù)的通道進(jìn)行觀測(cè).根據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)的光譜響應(yīng)函數(shù)的特征，可以將激光雷達(dá)分為彈性散射激光雷達(dá)、差分吸收激光雷達(dá)、拉曼激光雷達(dá)、高光譜分辨率激光雷達(dá)、多普勒激光雷達(dá)和熒光激光雷達(dá)等多種類型.

1.2.1 常規(guī)彈性散射激光雷達(dá)在散射過(guò)程中，電磁波的頻率和波長(zhǎng)都基本保持不變的散射過(guò)程為彈性散射，瑞利散射和米散射都屬于彈性散射.主要通過(guò)測(cè)量彈性散射的強(qiáng)度、偏振度來(lái)反演粒子屬性的激光雷達(dá)被稱為彈性散射激光雷達(dá).

所有彈性散射激光雷達(dá)都能探測(cè)到大氣粒子的米散射和空氣分子的瑞利散射，但在實(shí)際應(yīng)用中，往往將主要用于探測(cè)低空粒子米散射信號(hào)的彈性散射激光雷達(dá)稱為米散射激光雷達(dá)［8］，而將主要通過(guò)瑞利散射信號(hào)來(lái)反演高空溫濕廓線的彈性散射激光雷達(dá)稱為瑞利散射激光雷達(dá)［16-17］，此外高光譜激光雷達(dá)也屬于彈性散射激光雷達(dá).

當(dāng)使用彈性散射激光雷達(dá)探測(cè)氣溶膠時(shí)需要求解激光雷達(dá)方程，然而每一個(gè)高度的大氣所對(duì)應(yīng)的消光系數(shù)和后向散射系數(shù)都是未知的，這使得方程組沒(méi)有唯一解.因此，當(dāng)使用單線彈性散射激光雷達(dá)觀測(cè)資料進(jìn)行反演時(shí)，一般需要根據(jù)統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)消光系數(shù)和后向散射系數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系（例如預(yù)設(shè)激光雷達(dá)比，即消光系數(shù)與后向散射系數(shù)的比值），并使用高空干潔大氣的瑞利散射信號(hào)強(qiáng)度作為定標(biāo)依據(jù)，然后用半解析方法（常用Klett 法和Fernald 法）［18-19］或者結(jié)合更復(fù)雜的數(shù)值方法對(duì)激光雷達(dá)方程求解.同時(shí)，使用彈性散射激光雷達(dá)反演云的特性時(shí)也需要預(yù)設(shè)多次散射系數(shù)，這也會(huì)帶來(lái)誤差.

彈性散射激光雷達(dá)一般成本低、可靠性高，因此應(yīng)用最為廣泛，當(dāng)前大部分后向散射激光雷達(dá)和幾乎所有的側(cè)向成像激光雷達(dá)都屬于彈性散射激光雷達(dá).然而，由于粒子激光雷達(dá)比的不確定區(qū)間很大，激光雷達(dá)比和多次散射系數(shù)相關(guān)的前置假設(shè)可能會(huì)導(dǎo)致較大的反演誤差.

1.2.2 差分吸收激光雷達(dá)差分吸收激光雷達(dá)是一種用來(lái)測(cè)量特定氣體濃度的激光雷達(dá)，它會(huì)向目標(biāo)空間同時(shí)發(fā)射兩束波長(zhǎng)相近但氣體吸收率不同的激光束，并測(cè)量這兩束光對(duì)應(yīng)的回波強(qiáng)度.通過(guò)測(cè)量這兩束激光回波信號(hào)強(qiáng)度的差值變化，就可以得到特定氣體的空間分布特征［20］.由于兩束激光處于同一光路且波長(zhǎng)相近，待測(cè)物質(zhì)對(duì)兩束激光有著相同的影響，相互抵消誤差可以大大提高激光雷達(dá)的抗干擾特性［21］.

1.2.3 拉曼激光雷達(dá)拉曼散射是激光與大氣分子間的一種非彈性散射過(guò)程，當(dāng)入射光與粒子發(fā)生相互作用時(shí)，物質(zhì)中的原子和分子的能級(jí)同時(shí)發(fā)生改變，導(dǎo)致散射光的能量與入射光不同，從而導(dǎo)致散射光波長(zhǎng)與入射光波長(zhǎng)不同.由于拉曼散射的頻率變化取決于粒子的特性，故拉曼激光雷達(dá)可以通過(guò)散射光的頻率來(lái)反演大氣成分.純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射的頻率變化較小，而振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射頻率變化較大.

常見(jiàn)的拉曼激光雷達(dá)擁有振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼通道，一般發(fā)射355（532）nm 的激光，同時(shí)測(cè)量彈性散射、氮?dú)饫⑸?88（607）nm 和水汽拉曼散射411（660）nm 的強(qiáng)度［22］.由于氮?dú)獾暮渴枪潭ú蛔兊?，因此可以根?jù)氮?dú)饫⑸涞膹?qiáng)度來(lái)獲得大氣的消光信息，并通過(guò)氮?dú)饫⑸浜蛷椥陨⑸涞膹?qiáng)度直接獲得粒子的后向散射系數(shù).它還能結(jié)合大氣的消光信息和水汽拉曼散射的強(qiáng)度直接反演水汽濃度.

擁有純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射通道的拉曼激光雷達(dá)還能夠測(cè)量大氣的溫度.不同頻率的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射強(qiáng)度與溫度之間的函數(shù)存在差異，因此可以通過(guò)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射強(qiáng)度進(jìn)行溫度的反演.Behrendt et al［23］利用拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)的兩個(gè)純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼通道實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣溫度的測(cè)量，同時(shí)還測(cè)量了氣溶膠消光系數(shù)、后向散射系數(shù)、濕度等參數(shù)；譚敏等［24］使用多功能拉曼激光雷達(dá)同時(shí)測(cè)量了大氣溫度、水汽混合比的垂直分布及大氣氣溶膠光學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流層大氣參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量.

和普通彈性散射激光雷達(dá)相比，拉曼激光雷達(dá)的精度更高，功能更全面，但其成本和對(duì)儀器的要求也都更高.由于拉曼散射的能量遠(yuǎn)低于彈性散射能量，受背景噪聲影響大［25］，如果接收系統(tǒng)的口徑較小或者濾波片的帶寬不夠窄，那么在白天觀測(cè)效果會(huì)很差；此外，在反演氣溶膠消光系數(shù)時(shí)需要對(duì)氣溶膠消光系數(shù)的波長(zhǎng)依賴性進(jìn)行假設(shè)，這也可能導(dǎo)致誤差；另一個(gè)可能的系統(tǒng)誤差來(lái)源于對(duì)大氣密度廓線的假設(shè)［26］.

1.2.4 高光譜分辨率激光雷達(dá)高光譜分辨率激光雷達(dá)（High Spectral Resolution Lidar，HSRL）是一種以精細(xì)分光技術(shù)為核心的激光雷達(dá)，能夠以很高的光譜分辨率來(lái)測(cè)量回波信號(hào)［10，27-28］.盡管HSRL 測(cè)量的回波以彈性散射光為主，但它能夠探測(cè)到瑞利-布里淵散射所產(chǎn)生的頻變，所以一般不被歸類于彈性散射激光雷達(dá).由于大氣分子的熱運(yùn)動(dòng)速度方差較大，而云與氣溶膠粒子的運(yùn)動(dòng)速度方差較小，分子散射與粒子散射的光譜存在巨大差異，故HSRL 可以將分子散射與粒子散射區(qū)分開(kāi)來(lái).HSRL 探測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是光譜濾光器，可以分為原子分子吸收型和干涉型兩大類，其中原子分子吸收型光譜濾光器根據(jù)原子和分子的特征吸收譜線來(lái)過(guò)濾氣溶膠的散射回波信號(hào)，但缺陷在于只能局限于幾個(gè)固定的波長(zhǎng)［25，29］，而干涉型光譜濾光器的工作原理為光學(xué)干涉相長(zhǎng)相消原理，可以通過(guò)對(duì)特定波長(zhǎng)信號(hào)的抑制來(lái)分離分子和氣溶膠的散射信號(hào)［30］.為了更好地分離大氣分子與氣溶膠的散射信號(hào)，HSRL對(duì)激光器、光譜濾光器等都有較高的要求［30］.當(dāng)通過(guò)分子散射信號(hào)獲得了大氣的消光信息后，由于分子的后向散射系數(shù)可以通過(guò)理論計(jì)算直接獲得，結(jié)合粒子散射信號(hào)就可以計(jì)算得出后向散射系數(shù)，無(wú)須再對(duì)激光雷達(dá)比進(jìn)行假設(shè).不過(guò)，HSRL 也存在由于在反演中對(duì)空氣密度廓線進(jìn)行假設(shè)而導(dǎo)致的不確定性［31］.

此外，HSRL 還可以用來(lái)進(jìn)行溫度的測(cè)量.分子散射的光譜受溫度的影響很大，因此可以通過(guò)回波的光譜來(lái)進(jìn)行溫度的反演，不過(guò)溫度的反演對(duì)儀器性能的要求比較高.

HSRL 的精度比一般彈性散射激光雷達(dá)的精度更高，用途也更廣泛，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域取得了成果［32-34］，但在地面的應(yīng)用中仍是拉曼激光雷達(dá)使用更為廣泛.

1.2.5 多普勒激光雷達(dá)多普勒激光雷達(dá)是一種通過(guò)粒子散射的多普勒頻移來(lái)進(jìn)行測(cè)風(fēng)的激光雷達(dá)，可以細(xì)分為相干探測(cè)多普勒激光雷達(dá)與直接探測(cè)多普勒激光雷達(dá)兩類.

相干探測(cè)多普勒激光雷達(dá)通過(guò)光學(xué)混頻的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)多普勒頻移的測(cè)量.它在向大氣發(fā)射激光的同時(shí)也會(huì)向接收系統(tǒng)發(fā)射本振光信號(hào)，發(fā)射的激光經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器調(diào)制后產(chǎn)生頻移并在激光放大器中進(jìn)行放大后輸出.放大輸出的激光一部分與大氣進(jìn)行相互作用并產(chǎn)生散射信號(hào)，散射信號(hào)會(huì)與本振光信號(hào)進(jìn)行混頻得到回波信號(hào)；另一部分輸出激光則被分光器單獨(dú)分出，并與聲光調(diào)制后的光信號(hào)進(jìn)行混頻得到參考信號(hào)，接收到的回波信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行混頻后再通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理就能獲得風(fēng)場(chǎng)信息［35-36］.相干多普勒激光雷達(dá)靈敏度高、信噪比高、易于集成、應(yīng)用領(lǐng)域更廣［37］.而直接探測(cè)多普勒激光雷達(dá)則通過(guò)測(cè)量發(fā)射能量與接收能量之間發(fā)生的頻移來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的測(cè)量［38-39］.

1.2.6 熒光激光雷達(dá)熒光激光雷達(dá)是一種能夠測(cè)量氣溶膠熒光的激光雷達(dá)，它將激光雷達(dá)技術(shù)與激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)結(jié)合了起來(lái)，主要應(yīng)用于生物氣溶膠的探測(cè).大多數(shù)熒光激光雷達(dá)選擇使用Nd：YAG 激光器，該激光器可以發(fā)射266 nm或355 nm 紫外光激光來(lái)誘導(dǎo)生物氣溶膠產(chǎn)生熒光，具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于獲得、維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn).

熒光激光雷達(dá)工作原理為用激光對(duì)物質(zhì)進(jìn)行照射后，生物氣溶膠常?？梢援a(chǎn)生熒光，非生物氣溶膠則一般不能，由此可以區(qū)分生物氣溶膠與非生物氣溶膠.不同生物氣溶膠會(huì)產(chǎn)生不同的熒光光譜，據(jù)此可以對(duì)混合生物氣溶膠進(jìn)行預(yù)分類，具有高靈敏度、測(cè)量速度快的特點(diǎn)，且無(wú)需接觸就可進(jìn)行在線測(cè)量，在環(huán)境監(jiān)測(cè)及污染防治等領(lǐng)域有一定優(yōu)越性［40］.不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中，熒光光譜強(qiáng)度會(huì)受到溫壓、pH、激光能量及氣溶膠濃度等的影響，且熒光激光雷達(dá)信噪比低［41］.

1.3 按照主要探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行分類

1.3.1 激光云高儀激光云高儀（以下簡(jiǎn)稱云高儀）是一種主要用來(lái)進(jìn)行云高測(cè)量的后向散射激光雷達(dá)［42］.云高儀屬于簡(jiǎn)易的后向散射彈性激光雷達(dá)，能量一般較低，成本也低于大部分其他類型的后向散射激光雷達(dá)，并且穩(wěn)定性高，因此應(yīng)用非常廣泛.除了實(shí)現(xiàn)云高的測(cè)量外，云高儀還可用來(lái)獲得邊界層高度和大氣粒子的垂直分布特征，其資料可以用于大氣污染物的研究中，但是對(duì)氣溶膠的反演精度較低.并且，在雨雪天，由于云高儀的發(fā)射波長(zhǎng)往往接近近紅外水汽吸收帶，儀器會(huì)受到水汽的干擾，最終對(duì)反演結(jié)果產(chǎn)生影響［43-44］.

1.3.2 云和氣溶膠激光雷達(dá)云和氣溶膠激光雷達(dá)的探測(cè)目標(biāo)是云和氣溶膠.常見(jiàn)的多通道彈性散射激光雷達(dá)、拉曼激光雷達(dá)、高光譜激光雷達(dá)等都可以作為云和氣溶膠激光雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)工作.米-瑞利散射激光雷達(dá)在氣溶膠和云的探測(cè)中比較常見(jiàn)，因?yàn)榇髿庵信c激光發(fā)生米散射的主要就是氣溶膠與云，它可以通過(guò)探測(cè)由大氣分子產(chǎn)生的瑞利散射和由氣溶膠產(chǎn)生的米散射的混合光譜信號(hào)得到氣溶膠的時(shí)空變化特征［45-46］.由美國(guó)NASA 和法國(guó)國(guó)家空間研究中心合作研發(fā)的紅外探路者衛(wèi)星（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Path nder Satellite Observation,CALIPSO）上攜帶的正交極化激光雷達(dá)（the Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization，CALIOP）是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的云與氣溶膠激光雷達(dá)之一，其上的1064 nm 通道和532 nm 通道可以對(duì)云和氣溶膠進(jìn)行探測(cè)，并提供云與氣溶膠的垂直信息［47］，不過(guò)它的使用也不僅僅局限于這一種目的.例如通過(guò)CALIPSO 觀測(cè)得到的氣溶膠數(shù)據(jù)，結(jié)合其他數(shù)據(jù)，最終可以反演地面能見(jiàn)度，提供能見(jiàn)度的空間信息［48］.

1.3.3 臭氧激光雷達(dá)臭氧激光雷達(dá)是以臭氧為主要探測(cè)目標(biāo)的激光雷達(dá)，一般使用差分吸收原理對(duì)臭氧進(jìn)行探測(cè)，具體原理在前文已有論述.臭氧差分吸收激光雷達(dá)能夠全天候探測(cè)臭氧的時(shí)空分布特征，具有高精度、高時(shí)空分辨率、實(shí)時(shí)在線等優(yōu)點(diǎn)，通常采用266～289 nm 波段和266～308 nm 波段的激光來(lái)對(duì)臭氧進(jìn)行探測(cè)［49］，此外也有研究使用三波長(zhǎng)雙差分激光雷達(dá)（266～289～308 nm）來(lái)克服臭氧探測(cè)中氣溶膠的影響.早在20 世紀(jì)就已經(jīng)有了臭氧激光雷達(dá)的相關(guān)應(yīng)用，中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所就于1998 年研制了一臺(tái)紫外差分吸收（Ultraviolet Differential Absorption Lidar，UV-DIAL）激光雷達(dá)，用于18～45 km 平流層臭氧垂直廓線的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)［16］.而今，臭氧激光雷達(dá)被越來(lái)越多地應(yīng)用于大氣污染物監(jiān)測(cè)中，做出了重要貢獻(xiàn).

1.3.4 二氧化碳激光雷達(dá)二氧化碳（CO2）是大氣的重要組成成分，它的持續(xù)增加也是氣候變化的主要原因之一.在主動(dòng)探測(cè)領(lǐng)域，一般使用雙波長(zhǎng)或多波長(zhǎng)的差分吸收激光雷達(dá)來(lái)測(cè)量CO2的分布情況，而拉曼激光雷達(dá)也可以用來(lái)測(cè)量CO2的濃度.主要用來(lái)測(cè)量CO2的激光雷達(dá)可以被稱為二氧化碳激光雷達(dá).值得注意的是，使用CO2作為激光器工作介質(zhì)的激光雷達(dá)有時(shí)候也被稱為二氧化碳激光雷達(dá)［7］，在實(shí)際交流中需要進(jìn)行區(qū)分.

差分吸收激光雷達(dá)可以直接測(cè)量出激光對(duì)CO2的吸收截面參數(shù)，獲得對(duì)流層CO2的垂直廓線［50］，準(zhǔn)確度較高.由于差分吸收截面是溫度和壓強(qiáng)的函數(shù)，所以大氣溫度、壓力等的測(cè)量會(huì)影響到反演精度，以及激光頻率的不同也會(huì)導(dǎo)致吸收截面產(chǎn)生差別［51］.拉曼激光雷達(dá)則具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)勢(shì)［52］.與傳統(tǒng)的地面監(jiān)測(cè)相比，衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展使得我們獲得的觀測(cè)信息擴(kuò)展至全球范圍［53］.我國(guó)于2022 年4 月發(fā)射的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星上便搭載了星載二氧化碳激光雷達(dá)，可以提供更豐富的觀測(cè)數(shù)據(jù)［54］.

1.3.5 測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)風(fēng)是重要的大氣要素，在研究中一般使用多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)來(lái)測(cè)量氣溶膠或空氣分子的徑向多普勒速度，再據(jù)此計(jì)算風(fēng)速和風(fēng)向.由于常常將氣溶膠的移動(dòng)等效于風(fēng)的移動(dòng)，故大氣中氣溶膠層越厚，反演得到的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)精度越高［35］.

多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)可分為相干探測(cè)與直接探測(cè)兩種，在前面的章節(jié)中已有詳細(xì)論述.HSRL可以用于測(cè)風(fēng)，屬于直接探測(cè)［25］.相干探測(cè)多普勒激光雷達(dá)具有高靈敏度、高信噪比、易于集成的特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域更廣［37］，與直接探測(cè)多普勒激光雷達(dá)相比，其激光發(fā)射功率更低，然而當(dāng)氣溶膠濃度很低時(shí)，在中高空中就很難獲得風(fēng)速信息.目前，星載測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)也在穩(wěn)步發(fā)展中.歐洲空間局（European Space Agency,ESA）研制的全球首顆星載激光測(cè)風(fēng)衛(wèi)星Aeolus 已于2018 年成功升空，其上搭載的激光雷達(dá)采用直接探測(cè)技術(shù)，分別通過(guò)瑞利通道和米通道進(jìn)行大氣風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)［55-56］，美國(guó)和日本也相繼研制了自己的星載測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)技術(shù)體制來(lái)對(duì)高空風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充［57］.

1.3.6 能見(jiàn)度激光雷達(dá)能見(jiàn)度激光雷達(dá)主要通過(guò)反演近地面霧和霾的消光系數(shù)來(lái)估算能見(jiàn)度.能見(jiàn)度激光雷達(dá)一般都屬于彈性散射激光雷達(dá)，能量通常較低，一般擁有水平掃描功能，能夠獲取較大區(qū)域內(nèi)能見(jiàn)度的平面分布.

此外，還有一些觀測(cè)目標(biāo)主要為二氧化硫或甲烷等其他氣體目標(biāo)物的激光雷達(dá)，可以因此將它們稱為二氧化硫激光雷達(dá)、甲烷激光雷達(dá)等.還有一些激光雷達(dá)被用于探測(cè)揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organics Compounds，VOC），例如可以使用差分吸收激光雷達(dá)來(lái)對(duì)其進(jìn)行探測(cè).

1.4 按照觀測(cè)平臺(tái)進(jìn)行分類根據(jù)不同的探測(cè)需求，可以通過(guò)將激光雷達(dá)安裝在建筑、汽車、飛機(jī)或衛(wèi)星等平臺(tái)上，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域、高度和范圍的觀測(cè)任務(wù).根據(jù)搭載的平臺(tái)的不同，可將激光雷達(dá)分為地基激光雷達(dá)、空基激光雷達(dá)及天基激光雷達(dá)（或稱星載激光雷達(dá)）三類.

地基激光雷達(dá)多安裝在固定的建筑物頂端或地面移動(dòng)系統(tǒng)上，大多數(shù)用于監(jiān)測(cè)氣溶膠和能見(jiàn)度的激光雷達(dá)都是地基激光雷達(dá).它們可以對(duì)單一地點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)的觀測(cè)，有利于得到某一地點(diǎn)的連續(xù)氣象數(shù)據(jù)，但只能進(jìn)行小尺度數(shù)據(jù)采集，且會(huì)受到當(dāng)?shù)靥鞖獾挠绊?

空基激光雷達(dá)多安裝在飛機(jī)、飛艇或無(wú)人機(jī)上，可用于區(qū)域尺度的監(jiān)測(cè)任務(wù).與地基激光雷達(dá)相比，其觀測(cè)范圍更大，且受天氣影響較小，在對(duì)云的探測(cè)等方面具有優(yōu)勢(shì)，例如NASA 的云物理激光雷達(dá)（Cloud Physics Lidar，CPL）［58］就屬于空基激光雷達(dá).不過(guò)空基激光雷達(dá)成本較高，且在探測(cè)中難以進(jìn)行調(diào)整，但它們對(duì)于一些區(qū)域尺度及復(fù)雜地形地區(qū)的自然資源調(diào)查研究而言非常有利.

星載激光雷達(dá)以衛(wèi)星為觀測(cè)平臺(tái)，可以獲取大尺度、大范圍、高分辨率的三維氣象數(shù)據(jù)，還能提供一些地面上難以觀測(cè)區(qū)域的數(shù)據(jù)［59］.衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展使得觀測(cè)領(lǐng)域得以覆蓋全球，進(jìn)一步推動(dòng)了自然科學(xué)的發(fā)展［60］.1994 年，世界上第一臺(tái)星載激光雷達(dá)（the Lidar InThe Lidar In-Space Technology Experimentspace Technology Experiment，LITE）搭載發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)升空［61］，此后，星載激光雷達(dá)開(kāi)始快速發(fā)展.它們的應(yīng)用對(duì)于全球氣象資料的豐富及各項(xiàng)研究而言意義重大，但其技術(shù)難度和成本也更高.同時(shí)由于依托于衛(wèi)星的運(yùn)行，星載激光雷達(dá)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)同一地點(diǎn)的連續(xù)觀測(cè)，數(shù)據(jù)也呈條帶狀，且難以維護(hù)，在未來(lái)仍需要進(jìn)行大量探索.

1.5 按激光器工作介質(zhì)進(jìn)行分類激光器的工作介質(zhì)可以是氣體、固體或半導(dǎo)體，因此有文獻(xiàn)根據(jù)激光器的工作介質(zhì)對(duì)激光雷達(dá)進(jìn)行命名［7］.可以根據(jù)激光器工作物質(zhì)的不同將激光雷達(dá)分為氣體激光雷達(dá)、固體激光雷達(dá)和半導(dǎo)體激光雷達(dá)，此外我們將LED 光學(xué)雷達(dá)也列入此分類.

氣體激光雷達(dá)所使用的激光器為氣體激光器，例如使用氦氖激光器及二氧化碳激光器等.它們輸出的光束具有較好的方向性和單色性，頻率穩(wěn)定性高，輸出激光波長(zhǎng)范圍廣［62］，在大氣風(fēng)場(chǎng)、大氣環(huán)境等的監(jiān)測(cè)中作用重大.

固體激光雷達(dá)指以固體激光器作為核心部件的激光雷達(dá)，具有體積小、可靠性高、穩(wěn)定性高、功率高等特點(diǎn)［63］，不過(guò)價(jià)格一般相對(duì)昂貴.

半導(dǎo)體激光雷達(dá)使用的是半導(dǎo)體激光器.由于半導(dǎo)體本身也是固體，因此理論上也可以看作是廣義的固體激光雷達(dá).它們的使用壽命很長(zhǎng)，可以進(jìn)行連續(xù)探測(cè)工作，且有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、可靠性高及對(duì)人眼傷害小的特點(diǎn)，被大量使用在例如探測(cè)云底高度的米散射測(cè)量等研究中［64］.半導(dǎo)體激光雷達(dá)曾因相干性較差及低功率而受到限制，無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)［65］.而今，隨著半導(dǎo)體激光器器件的高速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器具有了高功率、高效率的特點(diǎn)，在軍事、航天等領(lǐng)域內(nèi)備受青睞［66］.

此外，還有一種使用LED 作為光源的LED光學(xué)雷達(dá)［67］，它使用了低能量的連續(xù)光源LED 光源，可用于近距離探測(cè).盡管LED 光學(xué)雷達(dá)使用的不是激光光源，但它符合激光雷達(dá)英文Lidar（Light Detection and Ranging，光學(xué)探測(cè)及測(cè)距）的描述，因此本文依然對(duì)其進(jìn)行了列舉.

1.6 按激光的波形進(jìn)行分類按照激光光波的波形，可以將激光雷達(dá)分為脈沖激光雷達(dá)和連續(xù)波激光雷達(dá)兩大類.

使用脈沖激光作為光源的激光雷達(dá)為脈沖激光雷達(dá).脈沖激光的能量在時(shí)間上是不恒定的，其峰值功率遠(yuǎn)大于平均功率，且每?jī)蓚€(gè)功率峰值之間存在一定的時(shí)間間隔.大部分后向散射激光雷達(dá)都屬于脈沖激光雷達(dá)，利用脈沖法進(jìn)行測(cè)距.值得一提的是，有一種緊湊型脈沖激光雷達(dá)被命名為微脈沖激光雷達(dá)（Micro Pulse Lidar，MPL）［68］，其脈沖間隔較小，脈沖能量為微焦級(jí)別，不會(huì)傷害眼睛.

使用連續(xù)波激光作為光源的激光雷達(dá)被稱為連續(xù)波激光雷達(dá).使用連續(xù)波作為光源的后向散射激光雷達(dá)需要使用調(diào)幅連續(xù)波或調(diào)頻連續(xù)波來(lái)進(jìn)行測(cè)距，光波的振幅或頻率會(huì)發(fā)生周期性變化；側(cè)向成像激光雷達(dá)則可以選擇低成本的常規(guī)連續(xù)波激光作為光源.

1.7 按照偏振特征進(jìn)行分類如果激光雷達(dá)擁有測(cè)量偏振度的能力，那么這個(gè)激光雷達(dá)就可以被稱為偏振激光雷達(dá)［69-70］.

大部分偏振激光雷達(dá)使用線偏振激光作為光源，因此可以被稱為線偏振激光雷達(dá).如果激光雷達(dá)同時(shí)測(cè)量平行于激光偏振方向和垂直于激光偏振方向的回波的強(qiáng)度，并通過(guò)回波的退偏比來(lái)判斷大氣粒子的類型，則可以被稱為正交極化激光雷達(dá).例如，CALIOP 的中文名稱就含有“正交極化”這個(gè)名詞.線偏振激光雷達(dá)可以獲取粒子的形狀信息.球形粒子（水云滴）產(chǎn)生的單次散射回波的退偏比為0，水平排列的片狀冰晶回波的退偏比非常接近于0［71］，而非球形粒子的單次散射回波的退偏比大于0，多次散射回波信號(hào)所對(duì)應(yīng)的退偏比也是大于0 的（圖4）.

圖4 不同粒子回波的線偏振特征（其中δ 為退偏比）Fig.4 Linear polarization characteristics of different particles,where δ is the depolarization ratio

如果在激光器前方加入一個(gè)四分之一波片，使得發(fā)射激光變成圓偏振波，那么這種激光雷達(dá)可以被稱為圓偏振激光雷達(dá).圓偏振激光雷達(dá)同樣可以用來(lái)進(jìn)行粒子形狀的識(shí)別，其優(yōu)勢(shì)在于受多次散射對(duì)退偏比的影響小于線偏振激光雷達(dá)［72］.

1.8 按照觀測(cè)的視場(chǎng)數(shù)量進(jìn)行分類大部分激光雷達(dá)在每個(gè)波段都只擁有一個(gè)觀測(cè)視場(chǎng)，屬于單視場(chǎng)激光雷達(dá).

Hutt et al［73］設(shè)計(jì)的多視場(chǎng)激光雷達(dá)（Multiplefield-of-View Lidar，MFOV）則可以同時(shí)以多個(gè)不同視場(chǎng)角來(lái)對(duì)大氣進(jìn)行觀測(cè).視場(chǎng)角較小的通道接收到的回波以單次散射為主，而視場(chǎng)角較大的通道則會(huì)接收到更多的多次散射信號(hào).由于不同大小的粒子前后向散射相函數(shù)存在巨大差異，故可以通過(guò)不同視場(chǎng)接收到的回波強(qiáng)度的差異來(lái)反演粒子的粒徑信息.

1.9 其他分類方式在實(shí)際應(yīng)用中，除上述幾種較為常見(jiàn)的分類方式外，大氣探測(cè)激光雷達(dá)還存在一些不常用的分類及命名方法.

若按照激光光源的頻率對(duì)激光雷達(dá)進(jìn)行分類，可將它們分為可見(jiàn)光激光雷達(dá)、紫外激光雷達(dá)及紅外激光雷達(dá)三類.可見(jiàn)光激光雷達(dá)使用可見(jiàn)光光源，會(huì)造成光污染，故在人口密集地區(qū)使用會(huì)有限制.紫外激光雷達(dá)使用紫外激光作為光源，雖然肉眼不可見(jiàn)，但也存在光污染，且對(duì)肉眼是有傷害的.紅外激光雷達(dá)使用紅外光源，穿透性好，且不會(huì)產(chǎn)生擾民問(wèn)題.此外，有的激光雷達(dá)同時(shí)擁有多個(gè)波長(zhǎng)的光源，例如CALIOP 激光雷達(dá)就同時(shí)擁有532 nm 可見(jiàn)光光源和1064 nm 紅外光源，此類激光雷達(dá)常常被稱為雙波長(zhǎng)或多波長(zhǎng)激光雷達(dá).

按照觀測(cè)的空間維度進(jìn)行分類，可將激光雷達(dá)分為一維激光雷達(dá)、二維激光雷達(dá)和三維激光雷達(dá).大部分地基激光雷達(dá)都會(huì)固定一個(gè)方向進(jìn)行觀測(cè)，故為一維激光雷達(dá)，成本相對(duì)較低，可靠性高，但觀測(cè)得到的信息有限.天基和空基激光雷達(dá)雖然也固定向某個(gè)方向進(jìn)行觀測(cè)，但會(huì)隨著飛機(jī)或衛(wèi)星不停運(yùn)動(dòng)，所以觀測(cè)到的是二維平面，屬于二維激光雷達(dá).三維激光雷達(dá)具備掃描功能，能夠?qū)ΧS空間或者三維空間進(jìn)行掃描成像，獲取云、霧和氣溶膠的二維或三維空間信息.

在三維激光雷達(dá)中，按照掃描方式還可將大氣探測(cè)激光雷達(dá)再度細(xì)分為機(jī)械式激光雷達(dá)和相控式激光雷達(dá).

當(dāng)按照激光的線數(shù)對(duì)激光雷達(dá)進(jìn)行分類，則可以分為單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá).單線激光雷達(dá)在每個(gè)波長(zhǎng)發(fā)射的激光束都是一根單線，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用也較廣泛.多線激光雷達(dá)可以同時(shí)發(fā)射多束激光，并獲得每束激光對(duì)應(yīng)的回波信息.

2 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)常見(jiàn)的大氣探測(cè)激光雷達(dá)進(jìn)行了系統(tǒng)性的整理和歸納，列舉了多種激光雷達(dá)分類方法，全面介紹了常見(jiàn)大氣探測(cè)激光雷達(dá)的類型和特征，并簡(jiǎn)要地分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn).根據(jù)本文所列舉的各種分類方法，可以使用多種名稱來(lái)描述任意一臺(tái)特定的激光雷達(dá)，有助于在現(xiàn)實(shí)交流中減少有關(guān)激光雷達(dá)命名的疑惑.此外，當(dāng)需要選擇激光雷達(dá)來(lái)進(jìn)行大氣探測(cè)時(shí)，可以結(jié)合各種激光雷達(dá)的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)探測(cè)目標(biāo)、數(shù)據(jù)質(zhì)量要求和預(yù)算來(lái)選擇最適合的激光雷達(dá)類型.

隨著激光雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，不斷地會(huì)有新型的激光雷達(dá)問(wèn)世并被應(yīng)用于大氣探測(cè)當(dāng)中，新型激光雷達(dá)依然可以按照本文的分類方式進(jìn)行分類，但新的分類方式也可能隨之出現(xiàn).隨著激光雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，在未來(lái)不定期地對(duì)激光雷達(dá)的分類進(jìn)行更新是有必要的.

盡管激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，激光雷達(dá)也已經(jīng)在大氣探測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用，但是實(shí)際觀測(cè)產(chǎn)品的精度常常達(dá)不到理想水平.現(xiàn)實(shí)中，激光雷達(dá)的儀器廠商往往更注重激光雷達(dá)功能的宣傳，但功能越強(qiáng)的激光雷達(dá)對(duì)儀器的維護(hù)和校準(zhǔn)的要求越高，在缺乏維護(hù)和校準(zhǔn)不當(dāng)?shù)那闆r下，拉曼雷達(dá)的穩(wěn)定性和觀測(cè)精度并不比常規(guī)的彈性散射激光雷達(dá)高；另一方面，儀器廠商常常選取晴空條件等理想狀況的反演結(jié)果進(jìn)行誤差分析，而當(dāng)有大量的低云存在時(shí)，反演誤差則常常大于晴空條件下的反演結(jié)果，這會(huì)導(dǎo)致反演誤差被低估.在未來(lái)，隨著光學(xué)和電子技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)探測(cè)的精度會(huì)隨著元件性能的提升而增強(qiáng)，同時(shí)將會(huì)有功能更加全面的激光雷達(dá)被發(fā)明，這些高性能的激光雷達(dá)將在科學(xué)研究和環(huán)境檢測(cè)中發(fā)揮重要的作用；低成本激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展則能夠促進(jìn)激光雷達(dá)的普及，增加激光雷達(dá)探測(cè)的覆蓋面.另一方面，激光雷達(dá)的校準(zhǔn)和反演算法的發(fā)展也十分重要.隨著粒子散射特性模擬算法、輻射傳輸求解算法、機(jī)器學(xué)習(xí)算法的發(fā)展，特定激光雷達(dá)的探測(cè)精度、穩(wěn)定性和適用性也將會(huì)得到提升.