1．引言自60年代鐳射問世以來，由於這一新型光源具有單色性好、相干性強、方向性高以及大能量、大功率等特點，其在軍用、民用以及醫療等各個方面受到越來越廣泛的重視和應用，尤其是1965年以後鐳射雷達和鐳射測雲儀的出現，使得鐳射在探測煙、塵、大氣渾濁度等大氣汙染以及環境監測研究、大氣溫、溼、壓、風等氣象要素和大氣成分、探測雲霧、降水和能見度以及高層大氣等方面，都取得了很大的進展，強有力地推動了鐳射大氣探測的發展。無論是環境監測，還是氣象探測都與鐳射雷達技術的發展和應用息息相關，其探測原理均可藉助於鐳射雷達的探測原理來說明。下面首先簡要介紹一下鐳射雷達技術。
2．鐳射雷達技術常用於大氣探測的脈衝鐳射雷達，具有與微波氣象雷達相似的探測原理。發射鐳射在大氣中傳播遇到大氣分子以及諸如煙、塵、雲霧之類的氣溶膠時，將發生彈性散射、非彈性散射和吸收等物理過程。其中後向散射部分被脈衝鐳射雷達作為回波訊號而接收，它包括強度、頻率、相位、偏振等因子，成為鐳射大氣探測的有效資訊。2.1鐳射雷達基本原理髮射機發射一束一定功率的鐳射束,經過大氣傳輸輻射到目標面上,目標面反射回來的回波由接收機接收,再由訊號處理提取回波中的有用資訊。鐳射雷達系統性能分析的基本問題是:在一定的發射功率下,受環境因素、系統引數的影響,確定接收端的接收功率、信噪比。經典的鐳射雷達距離方程通用形式[3]為式中：為回波訊號功率；為鐳射器發射功率；是源到目標的大氣傳輸係數；為發射光學裝置效率；為束散角；是發射機到目標的距離；為目標鐳射截面；為目標到接收機的大氣傳輸係數；是目標到接收機的距離；為接收孔徑；為接收光學裝置效率。制約鐳射雷達效能的約束條件主要有:1)鐳射器的輸出功率;2)工作波長和頻寬;3)目標特性;4)大氣傳輸條件;5)接收機靈敏度;6)探測器指標;7)距離;8)噪聲等。2.2鐳射雷達的應用[14]鐳射雷達除具有測距功能外，還具有目標指示、目標精確跟蹤和測定風的功能。目前有鐳射測距指示器，鐳射測距跟蹤器兩類多功能鐳射雷達。鐳射雷達多被用於大氣環境監測方面，通過分析鐳射的回波訊號從而得到大氣物理特徵。鐳射波長位於光波段，典型值為1um左右，這與煙塵等大氣氣溶膠粒子的尺度相當，加上探測器的探測靈敏度較高，因而鐳射探測煙、塵等微粒具有很高的探測靈敏度。鐳射雷達所接收的大氣回波資訊，包含了大氣散射光的光強、頻率、相位和偏振等多種資訊。利用其可探測多種大氣物理要素，其優勢是其它探測手段所不能比擬的。2.2.1可用於消光係數和大氣透過率及能見度的測量利用大氣中粒子的後向散射，根據鐳射雷達測量提供的鐳射訊號回波電壓和測試距離資訊解算出指定距離上的消光係數。通過測量的大氣消光係數反演計算出指定距離上的大氣透過率。目前國內外已有相應的鐳射雷達和能見度測量儀等裝置對大氣透過率及能見度進行測量，亦可藉助於透過率和能見度二者之間的關係，進行相互反推。2.2.2鐳射雷達的窄波束特點適合於目標精確跟蹤典型的CO2外差鐳射雷達為收發合置光路系統，接收和發射有相同的孔徑。有效波束很窄，可對目標進行精確的跟蹤。2.2.3鐳射雷達的高解析度有利於對目標進行識別和確認目標表面的子區可以通過角度、距離或速度測量來分辨。這些分辨性的測量可測出特定目標的獨特特徵。這些獨特的特徵包括：形狀、體積、速度、自旋或轉動速率及振動等。正是基於鐳射雷達探測的以上諸多優點，使得鐳射在大氣測量方面的應用越來越廣泛，下面簡要概述其在大氣遙感測量諸多方面的應用。
3．鐳射大氣測量應用概述鐳射通過Mie散射可以遙測煙、塵，這時回波訊號較強，它是鐳射雷達最廣泛的一種應用。鐳射雷達其主要是利用散射來提供大氣中的各種氣象資訊，並用於環境監測研究，其包括大氣的消光係數及後向散射係數、氣溶膠模式、大氣能見度、大氣懸浮顆粒和浮雲狀物的結構及光學性質的距離分辨測量、臭氧和水蒸氣等微量氣體的散佈情況[1]、對流層氣體以及空氣密度和溫度等[2～4]。利用Raman散射法和吸收光譜法，鐳射可以遙測汙染氣體濃度和成分。故鐳射在大氣汙染監測、大氣汙染擴散規律的研究等方面具有重要地位。其對城市規劃、山區廠礦的合理佈局等具有很大的實用價值。低層大氣的鐳射回波，主要是大氣塵埃的貢獻，通過分析鐳射回波波形，可獲得大氣塵埃消光係數的分佈，從而可得大氣空間渾濁狀況的時、空分佈[8]。用鐳射探測溫、溼、壓等氣象要素來補充或代替常規的無線電探空儀法，一直是人們關注的問題。鐳射探測可獲得這些要素幾乎同一時刻的空間分佈廓線，並且可以頻繁地測得它們的時間變化，這對於我們研究和了解大氣中發生的許多過程有著重要的意義。鐳射探測溼度和密度實際上屬於大氣成分的探測範疇，即探測大氣水汽和含量比較穩定的N2和O2，故較多地利用吸收光譜法和Raman散射法進行探測。在30公里以上，大氣散射回波基本上由分子散射造成，其強度正比於大氣密度，只要由探空資料給出某一參考高度上的密度值，就能直接由回波強度精確地算出高空密度分佈，根據這一原理，利用紅寶石鐳射器，已探測到直至90公里高度的大氣密度分佈。鐳射探測雲霧、降水和能見度。鐳射能夠提供一種不需要目標物、單點探測水平能見度的客觀方法，還可以探測其它方法難以解決的斜視能見度問題，這對飛機著陸、海上航行等極為有用。當觀測目標物和背景的亮度已確定的情況下，能見度主要取決於大氣透明度。水平大氣平均消光係數的鐳射探測，主要採用斜率法和回波特徵法。斜率法是根據鐳射雷達方程，在大氣水平均一的假設下，由大氣回波所構成的直線斜率，求取大氣水平平均消光係數[5]，回波特徵法則是根據水平大氣鐳射回波的半寬度和峰值距離等特徵量與能見度的關係，求取大氣水平平均消光係數[6]。此外，利用連續鐳射的大氣回波，探測大氣水平平均消光係數，亦有所設想[7]。常用能見度來記錄主要的天氣狀況。能見度是指白天在地平線上主觀能夠看到一個顯著物的最大距離，或者在夜間主觀能夠看到中等亮度燈光的最大距離。這對飛行員或空中交通管理人員有意義。根據高層大氣鐳射回波的探測分析指出，在20公里附近，存在著氣溶膠回波的極大值，這也證實了平流層中Junge氣溶膠層的存在。目前，鐳射導星技術已逐漸發展成熟，其為遙感探測分析太陽表面結構並獲取指定路徑上的大氣湍流變化特徵提供技術支撐，從而為自適應光學的發展奠定基礎，相信在不久的將來，鐳射導星技術的發展成熟必將對遙感探測技術的發展起到很大的推動作用。
4鐳射大氣測量的發展及展望鐳射大氣探測，由於發射波長在光波波段，（典型值約為1um），比微波波長（典型的約為104um）要小几個量級，而與煙塵等大氣氣溶膠的尺度相當，加上光電探測器的靈敏度較高，因而鐳射探測這類氣溶膠具有很高的靈敏度。即使對於尺度更小的大氣分子，鐳射探測也能發揮作用；由於其具有很窄的脈寬（毫微秒量級）和很小的發散角（十分之幾毫弧度），從而決定了其具有米量級的空間解析度，可測得大氣參量的空間精細結構。所以鐳射是一種頗有前途的主動遙感探測技術，尤其是在探測晴空大氣方面更有優越性。然而由於大氣對鐳射的散射衰減比較強，從而使得其大氣探測距離和穿透深度受到限制。隨著鐳射大氣探測研究的進展，星載鐳射雷達的探測研究近年來也很受重視。研究表明[9-11]：星載鐳射雷達可以測雲（雲頂的空間變化、薄捲雲分佈等）、測氣溶膠分佈、測大氣成分、微量元素等等。此外，如Huffaker等人[12]還提出用星載脈衝鐳射雷達測全球風場，Smith等人[13]提出用星載鐳射雷達通過吸收光譜法測對流層的溫、壓廓線等。星載鐳射探測可彌補氣象衛星被動遙感探測的種種不足，可獲得豐富的探測內容。不久的將來，氣象衛星將採用鐳射、微波等主動遙感探測系統與可見、紅外和微波等被動遙感探測系統相結合的探測體系，獲得更為豐富和精確的氣象要素的空間分佈，以滿足大氣科學研究和實際應用的需要。鐳射大氣探測的發展和推廣應用，有賴於許多鐳射探測技術問題的解決，主要有以下三個方面。首先：要求解決鐳射器的變頻技術。目前正在研究各種原理的調諧鐳射器，如果該技術可成熟使用的話，則基於吸收光譜法原理的探測方法將得到迅速發展。若可調波長範圍寬廣，則多波長探測方法也可得到解決，這些將為鐳射探測開啟廣闊的前景。其次，要解決弱訊號的檢測技術。鐳射探測大氣成分和高層大氣等，往往接收的光資訊十分微弱，而各種原因引起的噪聲則強烈影響鐳射探測的精度。因此必須深入探討如何通過技術措施和統計方法，獲得低信噪比條件下的有效光資訊。第三是鐳射探測自動控制和觀測資料的自動資料處理，其是鐳射探測技術能否推廣使用的關鍵之一，應發展快速模式轉換器（5兆赫以上），磁帶記錄和微小型計算機進行控制和資料處理，從而獲得實時的觀測結果。
5．結束語本文簡要介紹了鐳射雷達的基本原理及應用，並在此基礎上，概述了鐳射在大氣遙感測量方面的應用，最後給出了鐳射大氣遙感測量的優點和不足以及對未來發展趨勢的展望。