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。當激光雷達發出的激光與這些漂浮粒子發生作用時會發生散射，而且入射光波長與漂浮粒子的尺度為同一數量級，散射系數與波長一次方成反比，激光雷達依據這一性質可完成氣溶膠濃度、空間分布及能見度的測定。同時可監測沙塵暴的起源、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、星載激光雷達、機載激光雷達和地對空激光雷達進行。在實際工作中，不同的工作目的和探測目標選用了不同的激光雷達系統。例如：利用Mie散射激光雷達探測大氣懸浮塵埃和氣溶膠。氣溶膠造成一系列的環境污染問題，如臭氧層的破壞、酸雨的形成、煙霧事件的發生等，已釀成全球性環境問題。當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。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性數據，定量化研究評估氣溶膠等大氣成分對氣候、生態環境的影響，提高天氣預報準確率和有效監控大氣污染，可為制定相關政策提供科學依據。可以利用Rayleigh散射激光雷達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散射激光雷達適用于中層大氣成分變化的探測。利用Raman激光雷達監測羽狀的氣體污染源。Raman散射是激光作用于物質粒子產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激光雷達非常適用對工廠和汽車排放羽狀的污染源進行監測。Raman激光雷達在20世紀70年代得到迅速發展。近年來，發展了探測靈敏度很高的差分吸收激光雷達，用于城市大氣環境和城市污染源的高分辨率探測。

　　大氣成分的觀測

　　差分吸收激光雷達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。差分吸收激光雷達的測量原理是使用激光雷達發出兩種波長不等的光，其中一個波長調到待測物質的吸收線，而另一波長調到線上吸收系數較小的邊翼，然后以高重復頻率將這兩種波長的光交替發射至大氣中。此時由于激光雷達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，因此通過數據分析，便可得到待測對象的濃度分布，從而達到測量目的。

　　氣象要素的觀測

　　在大氣環境污染觀測中有關風速、氣溫、濕度等氣象要素是不可缺少的重要參數。近年來利用拉曼散射與溫度關系制成的拉曼散射激光雷達己有廣泛的應用。在使用拉曼散射激光雷達對溫度進行測量時，既可通過轉動拉曼散射激光雷達加以實現，也可利用振動拉曼散射激光雷達來獲得，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可以測量風速，就其工作方式而言，分為相干方式及非相干方式。通常在對流層風速測定中采用相干方式，而對同溫層及中層風速速測定中，通常采用非相干方式。

　　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研究，是一種非常有效的方法。鈉熒光共振散射激光雷達的基本結構與瑞利散射激光雷達結構類似。由于中間層頂大氣分子密度很低，瑞利散射信號十分微弱，而該區域內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量級，因此，利用鈉熒光雷達研究鈉層分布，進而研究重力波等有關性質更顯示其獨有的特性。2001年武漢大學自籌經費研制成功了國內第一臺雙波長高空激光雷達。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回波，獲取地球上空30-80km高度范圍大氣密度和85-105km鈉層的密度與溫度的空間結構和時間變化，辯明中高層大氣中關鍵的動力學過程，建立我國上空中高層大氣的密度和溫度模式，為我國的航天活動、國防工程建設和其他應用部門提供空間環境監測和預報服務。