南京大学学报（自然科学）, 2023, 59(5): 900-913 doi: 10.13232/j.cnki.jnju.2023.05.018

大气探测激光雷达的分类和特征

韩雪,, 周晨

南京大学大气科学学院，南京，210023

Classification and features of atmospheric lidars: A review

Han Xue,, Zhou Chen

School of Atmospheric Sciences, Nanjing University, Nanjing，210023, China

通讯作者: E⁃mail：hanxue.77@qq.com

收稿日期: 2023-06-01  

基金资助: 国家自然科学基金.  42075127

Received: 2023-06-01  

摘要

激光雷达被广泛地应用于云、气溶胶、大气成分、温度和风速的探测当中.应用于大气探测的激光雷达种类繁多，通常会使用不同的分类方法对激光雷达进行归类，使得同一台激光雷达可能会被赋予不同的名称，而被归类于同一类型的激光雷达之间又可能存在显著差异.按照激光雷达的测量角度和测距方式、光谱特征、探测目标、搭载平台等多种分类方法对现有的大气探测激光雷达进行了归纳，描述了各种不同类型激光雷达的特征，并介绍了不同类别激光雷达之间的联系.在实际科研和业务中，需要结合各种激光雷达的优、缺点，根据探测目标、数据质量要求和预算来选择最适合的激光雷达类型来进行大气探测.

关键词： 激光雷达 ; 大气探测 ; 遥感反演 ; 分类

Abstract

Lidars are widely used in the remote sensing of clouds,aerosols,atmospheric composition,temperature and wind speed. A great variety of lidars have been applied in atmospheric sounding,and many different methods has been used to classify these lidars in practice. A specific lidar can be named with different classification methods,and lidars in a specific category could be distinct,so it is useful to summarize the classification methods for atmospheric lidars.In this paper,atmospheric lidars are sorted out using more than 8 classification methods,and the features,advantages,and disadvantages of each lidar class are described briefly. According to the observation angle,atmospheric lidars can be divided into backscatter lidars and bistatic side⁃viewing imaging lidars (i.e.,Clidar). When the spectral features of sensors are used as the primary classification criterion,atmospheric lidars can be categorized as ordinary elastic lidars,differential absorption lidars (DIAL),Raman lidars,High Spectral Resolution Lidars (HSRL),Doppler lidars,and fluorescent lidars. According to the primary detecting target,the lidars can be named as ceilometer lidars,cloud and aerosol lidars,CO2 lidars,ozone lidars,wind lidars,and visibility lidars. According to the lidar platform,there are ground⁃based lidars,airborne lidars,and spaceborne lidars. Based on the properties of light transmitter,we have solid⁃state lidars,gas⁃state lidars and semiconductor Lidars. According to the wavelength of the transmitted laser,there are ultraviolet lidars,visible light lidars,infrared lidars,and multi⁃wavelength lidars. By the wave mode of transmitted laser,lidars can be grouped into pulsed⁃wave lidars and continuous wave (CW) lidars. Atmospheric lidars can also be considered as polarization lidars (linear polarization or circular polarization) and non⁃polarization lidars by the ability to measure the depolarization of backscatters,classified as one⁃dimensional,two⁃dimensional or three dimensional lidars by the detection space,categorized as single⁃line lidars and multiple⁃line lidars by the number of transmitted beams,or classified as single field of view lidars and multiple field of view (MFOV) lidars based on the number of field of views. In the future,more types of atmospheric lidars would occur in response to the development of lidar techniques.The relationships between different lidar categories are discussed in the paper. For example,Raman lidars,which are typically designed to be backscatter lidars with depolarization measurements,are frequently used in the detection of cloud and aerosol lidars. Differential absorption lidars,which are frequently designed to be backscatter lidars without depolarization measurements,is usually used in the measurements of gas concentration,and they can be designed be either ground⁃based or spaceborne lidars.This paper might be useful for the selection of lidars in atmospheric measurements. In practice,the type of lidar should be chosen based on the advantages and disadvantages of each lidar category according to the detection target,data quality requirements and budget.

Keywords： lidar ; atmospheric sounding ; remote sensing ; classification

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本文引用格式

韩雪, 周晨. 大气探测激光雷达的分类和特征. 南京大学学报（自然科学）[J], 2023, 59(5): 900-913 doi:10.13232/j.cnki.jnju.2023.05.018

Han Xue, Zhou Chen. Classification and features of atmospheric lidars: A review. Journal of nanjing University[J], 2023, 59(5): 900-913 doi:10.13232/j.cnki.jnju.2023.05.018

激光雷达探测是一种主动式遥感观测技术，其原理为向目标物发射激光，通过测量激光回波信号的属性来获取目标物的属性.激光具有单色性好、相干性强、方向性强以及高功率、高分辨率等优良特性［1］，这使得激光雷达在大气探测中拥有独特的优势，可以对云、气溶胶、大气成分和风等目标进行大尺度、多模式的全天候连续观测［2］，自出现起便被各个领域所重视与应用.

大气探测激光雷达的发展可追溯至20世纪60年代.1963年，世界首台红宝石米散射激光雷达诞生于美国［3］，我国随之也开展了一系列激光大气探测研究.早期的激光雷达通常体积庞大且操作复杂.随着技术水平的提高，激光雷达越来越向着小型化、多功能化的方向发展，所搭载的平台也由地基平台扩展至空基、天基（星载）平台.随着大气探测激光雷达数量的增多，越来越多的激光雷达以组网的形式加入了地球大气的综合观测.美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration,NASA）以测量气溶胶和云的垂直结构及边界层高度为目标，建设了以微脉冲米散射激光雷达为主的微脉冲激光雷达网络MPLNET （the NASA Micro Pulse Lidar Network）［4］；日本建设了以偏振激光雷达为主的东亚沙尘观测激光雷达网AD⁃net （the Asian Dust and Aerosol Lidar Observation Network）用于对亚洲沙尘进行观测［5-6］；我国也建成了“一带一路”激光雷达网等多个联网激光雷达探测系统.

由于激光雷达种类繁多，各类激光雷达之间存在显著差异，过去的综述文献常常会对激光雷达进行分类介绍.例如，王青梅和张以谟［7］介绍了半导体激光雷达、微脉冲激光雷达、弹性散射激光雷达、多普勒激光雷达、差分吸收激光雷达以及拉曼激光雷达等六种激光雷达的发展现状和趋势；田晓敏等［8］介绍了米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达、高光谱分辨率激光雷达、瑞利散射激光雷达、共振荧光激光雷达和多普勒激光雷达等八种不同探测技术的激光雷达；黄忠伟等［9］介绍了米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼激光雷达、高光谱分辨率激光雷达、荧光激光雷达、沙式激光雷达、CCD激光雷达和LED光源雷达等八种气溶胶激光雷达.显然，不同文献介绍激光雷达时使用的分类方法和标准并不相同.

本文使用多种分类方式对当前气象探测领域内的常见激光雷达进行系统全面的整理和归纳，并简要介绍不同激光雷达的原理及其特点，为今后的探测工作提供更清晰、全面的激光雷达分类概览.

1 激光雷达的分类

下表展示了本文对常见大气探测激光雷达的几种不同分类，其中左列为分类的方式，右列为每一种分类方式下的常见激光雷达类型.

   表　常见的激光雷达分类方法

  Table　Common lidar classification methods

分类方式常见类型
观测角度后向散射激光雷达、侧向成像激光雷达（常规成像激光雷达、沙氏激光雷达）
光谱特征常规的弹性散射激光雷达（瑞利散射激光雷达、米散射激光雷达）、高光谱分辨率激光雷达、差分吸收激光雷达、拉曼激光雷达、多普勒激光雷达、荧光激光雷达
主要探测目标激光云高仪、云和气溶胶激光雷达、二氧化碳激光雷达、臭氧激光雷达、测风激光雷达、能见度激光雷达
搭载平台地基激光雷达、空基激光雷达、天基（星载）激光雷达
激光器的工作介质气体激光雷达、固体激光雷达、半导体激光雷达、LED光源雷达
激光波形连续波激光雷达、(微)脉冲激光雷达
偏振方式偏振激光雷达(线偏振激光雷达/正交极化激光雷达、圆偏振激光雷达)、非偏振激光雷达
观测视场单视场激光雷达、多视场激光雷达
其他分类方式按激光频率、空间维度、扫描方式、激光线数等方式进行分类

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1.1　按照观测角度进行分类

按照观测角度，可以将激光雷达分为后向散射激光雷达和侧向成像激光雷达两大类.后向散射激光雷达根据激光传输一定距离所对应的时间延迟来进行测距（脉冲法测距、相位法测距），而侧向成像激光雷达一般使用空间关系来进行测距（三角测距）.

1.1.1　后向散射激光雷达

大部分激光雷达都属于后向散射激光雷达，其工作原理为向目标方向发射激光，在邻近激光器的位置收集目标物的后向散射回波，并通过激光与回波信号的时间差来计算目标物与激光雷达间的距离.此外，它还能根据回波的强度、偏振度和频谱来判断目标物的属性.

后向散射激光雷达一般发射脉冲激光，通过脉冲法进行测距.如果脉冲的前沿在t时刻发射，脉冲宽度为τ，那么脉冲的后沿发射时间为t+τ.对于在t+Δt时刻接收到的回波信号，脉冲前沿与回波的时间差为Δt，而脉冲后沿与回波的时间差为Δt-τ，因此这个脉冲与其对应的回波之间的时间差介于Δt和Δt-τ之间.忽略多次散射对光程的影响，用c代表光速，可以计算出t+Δt时刻接收到的回波信号所对应的目标物距离为cΔt/2-cτ/2,cΔt/2.显然，测距存在不确定性，而距离的不确定区间长度cτ/2便是激光测距能达到的最高精度.此外，后向散射激光雷达还可以通过经过调制的连续光波在传输过程中的相位变化来进行测距，但这种测距方法在大气探测中的应用不多.

后向散射激光雷达观测到的信号不一定是正后向散射光，其观测信号对应的散射角与接收装置的结构有关.采用异轴结构和同轴异路径结构［10］的后向散射激光雷达（图1a和图1b），其观测信号所对应的散射角会略微偏离180°的后向散射角，这使得观测信号基本不会受到粒子多次散射所产生的相干后向增强效应的影响，但它依然会受到大粒子单次散射的后向散射相干增强效应的影响［11］.图1c中的激光和回波的路径有一部分完全重合，能够直接探测正后向散射信号，其回波会受到各种后向散射相干增强效应的影响.由于异轴结构和同轴同路径结构激光雷达在探测湍流的相干后向散射时存在巨大差异，Banakh and Razenkov［12］设计了一个包含同路径和异路径光路的激光雷达，用来进行湍流的相干后向散射研究.

图1

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图1   几种不同结构的后向散射激光雷达系统示意图，其回波信号对应的散射角有着微小差异

(a) off⁃axis structure,(b) coaxial structure with different wave path,(c) coaxial structure with common wave path

Fig.1   Backscatter lidar systems with different scattering angles


对于异轴和同轴异路径后向散射激光雷达，由于激光束与视场的不完全重合（图2），大量近场回波信号无法被激光雷达传感器完全接收，而远场的回波则大部分处于视场的范围之内，因此需要使用重叠函数（几何校正因子）来描述激光束与视场之间的几何关系对激光雷达回波信号的影响［13］.重叠函数是距离的函数，在临近区域趋近于0，而在远场趋近于恒定值.因此，重叠函数Gr可以定义为在距离r处传感器所接收到的回波强度与到达激光雷达接收面的回波强度的比例，除以远场传感器所接收到的回波强度与到达激光雷达接收面的回波强度的比例.对于异轴和同轴异路径激光雷达，邻近区域的重叠函数为0，因此会形成一个盲区（图2）；随着距离的增加，重叠函数的值增加，但在回波信号强度小于后脉冲噪声的过渡区域，依然无法有效地进行遥感反演，严重影响地基激光雷达对近地面的探测.同路径激光雷达则在理论上没有近场盲区.

图2

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图2   异轴结构激光雷达系统中重叠函数的影响

Fig.2   Illustration of overlap function in an off⁃axis lidar system


后向散射激光雷达的优点是测距精度高，且测距精度不会随距离的变化而降低，所以大部分应用于大气探测的激光雷达都属于后向散射激光雷达.不过，由于存在盲区，其回波能量会随着探测距离的增加而急剧衰减，因此后向散射激光雷达探测远距离的微弱信号时，可能需要降低测距精度来提升信噪比.另外，后向散射激光雷达对激光光源的要求较高，所以成本也相对较高.此外，在白天可见光波段的后向散射激光雷达还会受到背景光的干扰.

1.1.2　侧向成像激光雷达

侧向成像激光雷达［14］是一种成本较低的激光雷达，其工作原理为使用成像系统对激光束进行拍照，计算每个像素所对应的回波传播方向，并通过传播方向和激光束的几何信息计算像素点所对应的距离.

侧向成像激光雷达有两种，一种是常规成像激光雷达（图3a），其接收系统是一个使用常规成像镜头的CCD相机，一般距激光源十几米到几百米.该系统中回波的强度与激光器距CCD相机的距离成反比，但并不会直接因目标物距离的变化而产生剧烈衰减，在近场的测距精度高，而远场的测距精度则很低.

图3

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图3   两种侧向成像激光雷达

(a) Clidar, (b) scheimpflug lidar

Fig.3   Two types of lateral imaging lidars


另一种被称为沙氏激光雷达［15］，采用沙氏成像系统进行成像（图3b），其遥感原理与CCD成像激光雷达类似，但激光、透镜组与传感器之间的几何关系与CCD成像激光雷达不一样，其相邻像素所对应的目标物间距不会随着距离的增加而急剧降低.和CCD成像激光雷达相比，沙氏激光雷达的接收系统与发射系统之间的距离较近，因此可以固定在同一个底座上，方便进行扫描观测.但是，受到激光束发散的影响，其有效测距精度依然会随着距离的增加而急剧降低.

与后向散射激光雷达相比，侧向成像激光雷达的成本较低，近场不存在盲区，而且常规成像激光雷达无须进行几何校正因子的校准，因此非常适合边界层的探测.其主要缺点在于有效测距精度会随着距离的增加而急剧降低，对高空的探测能力较差.此外，可见光波段的侧向成像激光雷达在白天还会受到背景光的严重影响.

1.2　按照观测系统的光谱特征进行分类

特定波长的激光和大气发生相互作用时，会产生不同波长的回波信号，而激光雷达的观测系统会选择一个或多个具有不同光谱响应函数的通道进行观测.根据观测系统的光谱响应函数的特征，可以将激光雷达分为弹性散射激光雷达、差分吸收激光雷达、拉曼激光雷达、高光谱分辨率激光雷达、多普勒激光雷达和荧光激光雷达等多种类型.

1.2.1　常规弹性散射激光雷达

在散射过程中，电磁波的频率和波长都基本保持不变的散射过程为弹性散射，瑞利散射和米散射都属于弹性散射.主要通过测量弹性散射的强度、偏振度来反演粒子属性的激光雷达被称为弹性散射激光雷达.

所有弹性散射激光雷达都能探测到大气粒子的米散射和空气分子的瑞利散射，但在实际应用中，往往将主要用于探测低空粒子米散射信号的弹性散射激光雷达称为米散射激光雷达［8］，而将主要通过瑞利散射信号来反演高空温湿廓线的弹性散射激光雷达称为瑞利散射激光雷达［16-17］，此外高光谱激光雷达也属于弹性散射激光雷达.

当使用弹性散射激光雷达探测气溶胶时需要求解激光雷达方程，然而每一个高度的大气所对应的消光系数和后向散射系数都是未知的，这使得方程组没有唯一解.因此，当使用单线弹性散射激光雷达观测资料进行反演时，一般需要根据统计经验预设消光系数和后向散射系数之间的数学关系（例如预设激光雷达比，即消光系数与后向散射系数的比值），并使用高空干洁大气的瑞利散射信号强度作为定标依据，然后用半解析方法（常用Klett法和Fernald法）［18-19］或者结合更复杂的数值方法对激光雷达方程求解.同时，使用弹性散射激光雷达反演云的特性时也需要预设多次散射系数，这也会带来误差.

弹性散射激光雷达一般成本低、可靠性高，因此应用最为广泛，当前大部分后向散射激光雷达和几乎所有的侧向成像激光雷达都属于弹性散射激光雷达.然而，由于粒子激光雷达比的不确定区间很大，激光雷达比和多次散射系数相关的前置假设可能会导致较大的反演误差.

1.2.2　差分吸收激光雷达

差分吸收激光雷达是一种用来测量特定气体浓度的激光雷达，它会向目标空间同时发射两束波长相近但气体吸收率不同的激光束，并测量这两束光对应的回波强度.通过测量这两束激光回波信号强度的差值变化，就可以得到特定气体的空间分布特征［20］.由于两束激光处于同一光路且波长相近，待测物质对两束激光有着相同的影响，相互抵消误差可以大大提高激光雷达的抗干扰特性［21］.

1.2.3　拉曼激光雷达

拉曼散射是激光与大气分子间的一种非弹性散射过程，当入射光与粒子发生相互作用时，物质中的原子和分子的能级同时发生改变，导致散射光的能量与入射光不同，从而导致散射光波长与入射光波长不同.由于拉曼散射的频率变化取决于粒子的特性，故拉曼激光雷达可以通过散射光的频率来反演大气成分.纯转动拉曼散射的频率变化较小，而振动⁃转动拉曼散射频率变化较大.

常见的拉曼激光雷达拥有振动⁃转动拉曼通道，一般发射355（532） nm的激光，同时测量弹性散射、氮气拉曼散射388（607） nm和水汽拉曼散射411（660） nm的强度［22］.由于氮气的含量是固定不变的，因此可以根据氮气拉曼散射的强度来获得大气的消光信息，并通过氮气拉曼散射和弹性散射的强度直接获得粒子的后向散射系数.它还能结合大气的消光信息和水汽拉曼散射的强度直接反演水汽浓度.

拥有纯转动拉曼散射通道的拉曼激光雷达还能够测量大气的温度.不同频率的纯转动拉曼散射强度与温度之间的函数存在差异，因此可以通过纯转动拉曼散射强度进行温度的反演.Behrendt et al［23］利用拉曼激光雷达系统的两个纯转动拉曼通道实现了对大气温度的测量，同时还测量了气溶胶消光系数、后向散射系数、湿度等参数；谭敏等［24］使用多功能拉曼激光雷达同时测量了大气温度、水汽混合比的垂直分布及大气气溶胶光学性质，实现了对流层大气参数的实时测量.

和普通弹性散射激光雷达相比，拉曼激光雷达的精度更高，功能更全面，但其成本和对仪器的要求也都更高.由于拉曼散射的能量远低于弹性散射能量，受背景噪声影响大［25］，如果接收系统的口径较小或者滤波片的带宽不够窄，那么在白天观测效果会很差；此外，在反演气溶胶消光系数时需要对气溶胶消光系数的波长依赖性进行假设，这也可能导致误差；另一个可能的系统误差来源于对大气密度廓线的假设［26］.

1.2.4　高光谱分辨率激光雷达

高光谱分辨率激光雷达（High Spectral Resolution Lidar，HSRL）是一种以精细分光技术为核心的激光雷达，能够以很高的光谱分辨率来测量回波信号［10，27-28］.尽管HSRL测量的回波以弹性散射光为主，但它能够探测到瑞利⁃布里渊散射所产生的频变，所以一般不被归类于弹性散射激光雷达.由于大气分子的热运动速度方差较大，而云与气溶胶粒子的运动速度方差较小，分子散射与粒子散射的光谱存在巨大差异，故HSRL可以将分子散射与粒子散射区分开来.HSRL探测系统的关键技术之一是光谱滤光器，可以分为原子分子吸收型和干涉型两大类，其中原子分子吸收型光谱滤光器根据原子和分子的特征吸收谱线来过滤气溶胶的散射回波信号，但缺陷在于只能局限于几个固定的波长［25，29］，而干涉型光谱滤光器的工作原理为光学干涉相长相消原理，可以通过对特定波长信号的抑制来分离分子和气溶胶的散射信号［30］.为了更好地分离大气分子与气溶胶的散射信号，HSRL对激光器、光谱滤光器等都有较高的要求［30］.当通过分子散射信号获得了大气的消光信息后，由于分子的后向散射系数可以通过理论计算直接获得，结合粒子散射信号就可以计算得出后向散射系数，无须再对激光雷达比进行假设.不过，HSRL也存在由于在反演中对空气密度廓线进行假设而导致的不确定性［31］.

此外，HSRL还可以用来进行温度的测量.分子散射的光谱受温度的影响很大，因此可以通过回波的光谱来进行温度的反演，不过温度的反演对仪器性能的要求比较高.

HSRL的精度比一般弹性散射激光雷达的精度更高，用途也更广泛，已经在多个领域取得了成果［32-34］，但在地面的应用中仍是拉曼激光雷达使用更为广泛.

1.2.5　多普勒激光雷达

多普勒激光雷达是一种通过粒子散射的多普勒频移来进行测风的激光雷达，可以细分为相干探测多普勒激光雷达与直接探测多普勒激光雷达两类.

相干探测多普勒激光雷达通过光学混频的方式实现对多普勒频移的测量.它在向大气发射激光的同时也会向接收系统发射本振光信号，发射的激光经过声光调制器调制后产生频移并在激光放大器中进行放大后输出.放大输出的激光一部分与大气进行相互作用并产生散射信号，散射信号会与本振光信号进行混频得到回波信号；另一部分输出激光则被分光器单独分出，并与声光调制后的光信号进行混频得到参考信号，接收到的回波信号与参考信号进行混频后再通过数字信号处理就能获得风场信息［35-36］.相干多普勒激光雷达灵敏度高、信噪比高、易于集成、应用领域更广［37］.而直接探测多普勒激光雷达则通过测量发射能量与接收能量之间发生的频移来实现对风速的测量［38-39］.

1.2.6　荧光激光雷达

荧光激光雷达是一种能够测量气溶胶荧光的激光雷达，它将激光雷达技术与激光诱导荧光技术结合了起来，主要应用于生物气溶胶的探测.大多数荧光激光雷达选择使用Nd：YAG激光器，该激光器可以发射266 nm或355 nm紫外光激光来诱导生物气溶胶产生荧光，具有结构紧凑、易于获得、维护成本低的优点.

荧光激光雷达工作原理为用激光对物质进行照射后，生物气溶胶常常可以产生荧光，非生物气溶胶则一般不能，由此可以区分生物气溶胶与非生物气溶胶.不同生物气溶胶会产生不同的荧光光谱，据此可以对混合生物气溶胶进行预分类，具有高灵敏度、测量速度快的特点，且无需接触就可进行在线测量，在环境监测及污染防治等领域有一定优越性［40］.不过在实际应用中，荧光光谱强度会受到温压、pH、激光能量及气溶胶浓度等的影响，且荧光激光雷达信噪比低［41］.

1.3　按照主要探测目标进行分类
1.3.1　激光云高仪

激光云高仪（以下简称云高仪）是一种主要用来进行云高测量的后向散射激光雷达［42］.云高仪属于简易的后向散射弹性激光雷达，能量一般较低，成本也低于大部分其他类型的后向散射激光雷达，并且稳定性高，因此应用非常广泛.除了实现云高的测量外，云高仪还可用来获得边界层高度和大气粒子的垂直分布特征，其资料可以用于大气污染物的研究中，但是对气溶胶的反演精度较低.并且，在雨雪天，由于云高仪的发射波长往往接近近红外水汽吸收带，仪器会受到水汽的干扰，最终对反演结果产生影响［43-44］.

1.3.2　云和气溶胶激光雷达

云和气溶胶激光雷达的探测目标是云和气溶胶.常见的多通道弹性散射激光雷达、拉曼激光雷达、高光谱激光雷达等都可以作为云和气溶胶激光雷达进行探测工作.米⁃瑞利散射激光雷达在气溶胶和云的探测中比较常见，因为大气中与激光发生米散射的主要就是气溶胶与云，它可以通过探测由大气分子产生的瑞利散射和由气溶胶产生的米散射的混合光谱信号得到气溶胶的时空变化特征［45-46］.由美国NASA和法国国家空间研究中心合作研发的红外探路者卫星（Cloud⁃Aerosol Lidar and Infrared Path nder Satellite Observation,CALIPSO）上携带的正交极化激光雷达（the Cloud⁃Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization，CALIOP）是当前应用最为广泛的云与气溶胶激光雷达之一，其上的1064 nm通道和532 nm通道可以对云和气溶胶进行探测，并提供云与气溶胶的垂直信息［47］，不过它的使用也不仅仅局限于这一种目的.例如通过CALIPSO观测得到的气溶胶数据，结合其他数据，最终可以反演地面能见度，提供能见度的空间信息［48］.

1.3.3　臭氧激光雷达

臭氧激光雷达是以臭氧为主要探测目标的激光雷达，一般使用差分吸收原理对臭氧进行探测，具体原理在前文已有论述.臭氧差分吸收激光雷达能够全天候探测臭氧的时空分布特征，具有高精度、高时空分辨率、实时在线等优点，通常采用266~289 nm波段和266~308 nm波段的激光来对臭氧进行探测［49］，此外也有研究使用三波长双差分激光雷达（266~289~308 nm）来克服臭氧探测中气溶胶的影响.

早在20世纪就已经有了臭氧激光雷达的相关应用，中国科学院安徽光学精密机械研究所就于1998年研制了一台紫外差分吸收（Ultraviolet Differential Absorption Lidar，UV⁃DIAL）激光雷达，用于18~45 km平流层臭氧垂直廓线的长期监测［16］.而今，臭氧激光雷达被越来越多地应用于大气污染物监测中，做出了重要贡献.

1.3.4　二氧化碳激光雷达

二氧化碳（CO2）是大气的重要组成成分，它的持续增加也是气候变化的主要原因之一.在主动探测领域，一般使用双波长或多波长的差分吸收激光雷达来测量CO2的分布情况，而拉曼激光雷达也可以用来测量CO2的浓度.主要用来测量CO2的激光雷达可以被称为二氧化碳激光雷达.值得注意的是，使用CO2作为激光器工作介质的激光雷达有时候也被称为二氧化碳激光雷达［7］，在实际交流中需要进行区分.

差分吸收激光雷达可以直接测量出激光对CO2的吸收截面参数，获得对流层CO2的垂直廓线［50］，准确度较高.由于差分吸收截面是温度和压强的函数，所以大气温度、压力等的测量会影响到反演精度，以及激光频率的不同也会导致吸收截面产生差别［51］.拉曼激光雷达则具有结构相对简单，设备经济性好的优势［52］.与传统的地面监测相比，卫星遥感技术的发展使得我们获得的观测信息扩展至全球范围［53］.我国于2022年4月发射的大气环境监测卫星上便搭载了星载二氧化碳激光雷达，可以提供更丰富的观测数据［54］.

1.3.5　测风激光雷达

风是重要的大气要素，在研究中一般使用多普勒测风激光雷达来测量气溶胶或空气分子的径向多普勒速度，再据此计算风速和风向.由于常常将气溶胶的移动等效于风的移动，故大气中气溶胶层越厚，反演得到的风场数据精度越高［35］.

多普勒测风激光雷达可分为相干探测与直接探测两种，在前面的章节中已有详细论述.HSRL可以用于测风，属于直接探测［25］.相干探测多普勒激光雷达具有高灵敏度、高信噪比、易于集成的特点，应用领域更广［37］，与直接探测多普勒激光雷达相比，其激光发射功率更低，然而当气溶胶浓度很低时，在中高空中就很难获得风速信息.目前，星载测风激光雷达也在稳步发展中.欧洲空间局（European Space Agency,ESA）研制的全球首颗星载激光测风卫星Aeolus已于2018年成功升空，其上搭载的激光雷达采用直接探测技术，分别通过瑞利通道和米通道进行大气风场的探测［55-56］，美国和日本也相继研制了自己的星载测风激光雷达技术体制来对高空风场数据进行补充［57］.

1.3.6　能见度激光雷达

能见度激光雷达主要通过反演近地面雾和霾的消光系数来估算能见度.能见度激光雷达一般都属于弹性散射激光雷达，能量通常较低，一般拥有水平扫描功能，能够获取较大区域内能见度的平面分布.

此外，还有一些观测目标主要为二氧化硫或甲烷等其他气体目标物的激光雷达，可以因此将它们称为二氧化硫激光雷达、甲烷激光雷达等.还有一些激光雷达被用于探测挥发性有机物（Volatile Organics Compounds，VOC），例如可以使用差分吸收激光雷达来对其进行探测.

1.4　按照观测平台进行分类

根据不同的探测需求，可以通过将激光雷达安装在建筑、汽车、飞机或卫星等平台上，来实现不同区域、高度和范围的观测任务.根据搭载的平台的不同，可将激光雷达分为地基激光雷达、空基激光雷达及天基激光雷达（或称星载激光雷达）三类.

地基激光雷达多安装在固定的建筑物顶端或地面移动系统上，大多数用于监测气溶胶和能见度的激光雷达都是地基激光雷达.它们可以对单一地点进行连续的观测，有利于得到某一地点的连续气象数据，但只能进行小尺度数据采集，且会受到当地天气的影响.

空基激光雷达多安装在飞机、飞艇或无人机上，可用于区域尺度的监测任务.与地基激光雷达相比，其观测范围更大，且受天气影响较小，在对云的探测等方面具有优势，例如NASA的云物理激光雷达（Cloud Physics Lidar，CPL）［58］就属于空基激光雷达.不过空基激光雷达成本较高，且在探测中难以进行调整，但它们对于一些区域尺度及复杂地形地区的自然资源调查研究而言非常有利.

星载激光雷达以卫星为观测平台，可以获取大尺度、大范围、高分辨率的三维气象数据，还能提供一些地面上难以观测区域的数据［59］.卫星技术的发展使得观测领域得以覆盖全球，进一步推动了自然科学的发展［60］.1994年，世界上第一台星载激光雷达（the Lidar InThe Lidar In-Space Technology Experimentspace Technology Experiment，LITE）搭载发现号航天飞机升空［61］，此后，星载激光雷达开始快速发展.它们的应用对于全球气象资料的丰富及各项研究而言意义重大，但其技术难度和成本也更高.同时由于依托于卫星的运行，星载激光雷达无法实现对同一地点的连续观测，数据也呈条带状，且难以维护，在未来仍需要进行大量探索.

1.5　按激光器工作介质进行分类

激光器的工作介质可以是气体、固体或半导体，因此有文献根据激光器的工作介质对激光雷达进行命名［7］.可以根据激光器工作物质的不同将激光雷达分为气体激光雷达、固体激光雷达和半导体激光雷达，此外我们将LED光学雷达也列入此分类.

气体激光雷达所使用的激光器为气体激光器，例如使用氦氖激光器及二氧化碳激光器等.它们输出的光束具有较好的方向性和单色性，频率稳定性高，输出激光波长范围广［62］，在大气风场、大气环境等的监测中作用重大.

固体激光雷达指以固体激光器作为核心部件的激光雷达，具有体积小、可靠性高、稳定性高、功率高等特点［63］，不过价格一般相对昂贵.

半导体激光雷达使用的是半导体激光器.由于半导体本身也是固体，因此理论上也可以看作是广义的固体激光雷达.它们的使用寿命很长，可以进行连续探测工作，且有体积小、结构简单、造价低、可靠性高及对人眼伤害小的特点，被大量使用在例如探测云底高度的米散射测量等研究中［64］.半导体激光雷达曾因相干性较差及低功率而受到限制，无法进行远距离探测［65］.而今，随着半导体激光器器件的高速发展，半导体激光器具有了高功率、高效率的特点，在军事、航天等领域内备受青睐［66］.

此外，还有一种使用LED作为光源的LED光学雷达［67］，它使用了低能量的连续光源LED光源，可用于近距离探测.尽管LED光学雷达使用的不是激光光源，但它符合激光雷达英文Lidar （Light Detection and Ranging，光学探测及测距）的描述，因此本文依然对其进行了列举.

1.6　按激光的波形进行分类

按照激光光波的波形，可以将激光雷达分为脉冲激光雷达和连续波激光雷达两大类.

使用脉冲激光作为光源的激光雷达为脉冲激光雷达.脉冲激光的能量在时间上是不恒定的，其峰值功率远大于平均功率，且每两个功率峰值之间存在一定的时间间隔.大部分后向散射激光雷达都属于脉冲激光雷达，利用脉冲法进行测距.值得一提的是，有一种紧凑型脉冲激光雷达被命名为微脉冲激光雷达（Micro Pulse Lidar，MPL）［68］，其脉冲间隔较小，脉冲能量为微焦级别，不会伤害眼睛.

使用连续波激光作为光源的激光雷达被称为连续波激光雷达.使用连续波作为光源的后向散射激光雷达需要使用调幅连续波或调频连续波来进行测距，光波的振幅或频率会发生周期性变化；侧向成像激光雷达则可以选择低成本的常规连续波激光作为光源.

1.7　按照偏振特征进行分类

如果激光雷达拥有测量偏振度的能力，那么这个激光雷达就可以被称为偏振激光雷达［69-70］.

大部分偏振激光雷达使用线偏振激光作为光源，因此可以被称为线偏振激光雷达.如果激光雷达同时测量平行于激光偏振方向和垂直于激光偏振方向的回波的强度，并通过回波的退偏比来判断大气粒子的类型，则可以被称为正交极化激光雷达.例如，CALIOP的中文名称就含有“正交极化”这个名词.线偏振激光雷达可以获取粒子的形状信息.球形粒子（水云滴）产生的单次散射回波的退偏比为0，水平排列的片状冰晶回波的退偏比非常接近于0［71］，而非球形粒子的单次散射回波的退偏比大于0，多次散射回波信号所对应的退偏比也是大于0的（图4）.

图4

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图4   不同粒子回波的线偏振特征（其中δ为退偏比）

(a) spherical particles,(b) horizontally oriented plates,(c) non⁃spherical particles,(d) multiple scattering

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个四分之一波片，使得发射激光变成圆偏振波，那么这种激光雷达可以被称为圆偏振激光雷达.圆偏振激光雷达同样可以用来进行粒子形状的识别，其优势在于受多次散射对退偏比的影响小于线偏振激光雷达［72］.

1.8　按照观测的视场数量进行分类

大部分激光雷达在每个波段都只拥有一个观测视场，属于单视场激光雷达.

Hutt et al［73］设计的多视场激光雷达（Multiple⁃field⁃of⁃View Lidar，MFOV）则可以同时以多个不同视场角来对大气进行观测.视场角较小的通道接收到的回波以单次散射为主，而视场角较大的通道则会接收到更多的多次散射信号.由于不同大小的粒子前后向散射相函数存在巨大差异，故可以通过不同视场接收到的回波强度的差异来反演粒子的粒径信息.

1.9　其他分类方式

在实际应用中，除上述几种较为常见的分类方式外，大气探测激光雷达还存在一些不常用的分类及命名方法.

若按照激光光源的频率对激光雷达进行分类，可将它们分为可见光激光雷达、紫外激光雷达及红外激光雷达三类.可见光激光雷达使用可见光光源，会造成光污染，故在人口密集地区使用会有限制.紫外激光雷达使用紫外激光作为光源，虽然肉眼不可见，但也存在光污染，且对肉眼是有伤害的.红外激光雷达使用红外光源，穿透性好，且不会产生扰民问题.此外，有的激光雷达同时拥有多个波长的光源，例如CALIOP激光雷达就同时拥有532 nm可见光光源和1064 nm红外光源，此类激光雷达常常被称为双波长或多波长激光雷达.

按照观测的空间维度进行分类，可将激光雷达分为一维激光雷达、二维激光雷达和三维激光雷达.大部分地基激光雷达都会固定一个方向进行观测，故为一维激光雷达，成本相对较低，可靠性高，但观测得到的信息有限.天基和空基激光雷达虽然也固定向某个方向进行观测，但会随着飞机或卫星不停运动，所以观测到的是二维平面，属于二维激光雷达.三维激光雷达具备扫描功能，能够对二维空间或者三维空间进行扫描成像，获取云、雾和气溶胶的二维或三维空间信息.

在三维激光雷达中，按照扫描方式还可将大气探测激光雷达再度细分为机械式激光雷达和相控式激光雷达.

当按照激光的线数对激光雷达进行分类，则可以分为单线激光雷达和多线激光雷达.单线激光雷达在每个波长发射的激光束都是一根单线，结构简单，使用也较广泛.多线激光雷达可以同时发射多束激光，并获得每束激光对应的回波信息.

2 结语

本文对常见的大气探测激光雷达进行了系统性的整理和归纳，列举了多种激光雷达分类方法，全面介绍了常见大气探测激光雷达的类型和特征，并简要地分析了它们的优缺点.根据本文所列举的各种分类方法，可以使用多种名称来描述任意一台特定的激光雷达，有助于在现实交流中减少有关激光雷达命名的疑惑.此外，当需要选择激光雷达来进行大气探测时，可以结合各种激光雷达的优缺点，根据探测目标、数据质量要求和预算来选择最适合的激光雷达类型.

随着激光雷达技术的快速发展，不断地会有新型的激光雷达问世并被应用于大气探测当中，新型激光雷达依然可以按照本文的分类方式进行分类，但新的分类方式也可能随之出现.随着激光雷达技术的不断发展，在未来不定期地对激光雷达的分类进行更新是有必要的.

尽管激光雷达技术已经日趋成熟，激光雷达也已经在大气探测中得到了广泛应用，但是实际观测产品的精度常常达不到理想水平.现实中，激光雷达的仪器厂商往往更注重激光雷达功能的宣传，但功能越强的激光雷达对仪器的维护和校准的要求越高，在缺乏维护和校准不当的情况下，拉曼雷达的稳定性和观测精度并不比常规的弹性散射激光雷达高；另一方面，仪器厂商常常选取晴空条件等理想状况的反演结果进行误差分析，而当有大量的低云存在时，反演误差则常常大于晴空条件下的反演结果，这会导致反演误差被低估.在未来，随着光学和电子技术的发展，激光雷达探测的精度会随着元件性能的提升而增强，同时将会有功能更加全面的激光雷达被发明，这些高性能的激光雷达将在科学研究和环境检测中发挥重要的作用；低成本激光雷达技术的发展则能够促进激光雷达的普及，增加激光雷达探测的覆盖面.另一方面，激光雷达的校准和反演算法的发展也十分重要.随着粒子散射特性模拟算法、辐射传输求解算法、机器学习算法的发展，特定激光雷达的探测精度、稳定性和适用性也将会得到提升.

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