综述：基于成像的大气遥感激光雷达技术综述

（编辑推荐）本综述系统梳理了基于成像原理的激光雷达（Lidar）技术在大气遥感中的应用进展，重点解析了其与脉冲激光雷达（TOF-Lidar）的互补性。文章涵盖Scheimpflug Lidar（SLidar）等新型技术，详述了气溶胶消光系数（AEC）、光学厚度（AOD）、污染源追踪等应用场景，为大气环境监测（如PM2.5、NOx、O3）和气候变化研究提供了创新工具。

　　

基于成像的大气遥感激光雷达技术

摘要

激光雷达（Lidar）作为一种高时空分辨率的主动光学遥感技术，能够从地面至高层大气剖面测量气溶胶、痕量气体（如NO_x、SO₂）、温度等参数，为污染监测和气候研究提供关键数据。尽管基于飞行时间（TOF）原理的脉冲激光雷达占据主流，但基于成像的激光雷达技术（如Scheimpflug Lidar）凭借半导体激光器和图像传感器的进步，近年来在气溶胶光学特性、污染源追踪等领域展现出独特优势。

引言

大气污染（如PM_2.5、O₃）通过散射太阳辐射和直接吸入危害健康，亟需高精度遥感手段。传统脉冲激光雷达依赖TOF原理，而成像激光雷达则延续了早期摄影技术，如1937年Hulburt利用探照灯和相机探测大气散射信号。1960年代后，激光技术推动脉冲激光雷达快速发展，但成像技术因成本低、结构紧凑等优势持续创新，例如1989年Welsh通过CCD相机实现了中层钠层探测。

系统组成

成像激光雷达核心包括激光发射器（如激光二极管）、光学成像系统（如牛顿望远镜）和探测器（如倾斜CMOS传感器）。Scheimpflug原理的引入解决了景深限制，例如Lund大学开发的SLidar系统采用810mm基线间距和45°倾斜传感器，结合3nm窄带滤光片实现昼夜测量。国内团队（如大连理工大学）进一步优化了小型化SLidar，使用4W激光二极管和114mm口径望远镜，在1分钟积分时间内完成全天候观测。

应用进展

1. 气溶胶监测：SLidar通过Klett算法反演消光系数，与PM_2.5监测数据相关性达0.85。
2. 污染追踪：双通道SLidar可定位近地面污染源，分辨率达0.36m。
3. 气体探测：差分吸收激光雷达（DIAL）技术已应用于O₃、CO₂等气体浓度剖面测量。
4. 散射相函数研究：大视场（FOV）系统可校准脉冲激光雷达的几何形态因子（GFF）。

结论与展望

成像激光雷达（尤其是SLidar）凭借低成本、易维护等特性，成为脉冲激光雷达的重要补充。未来发展方向包括多波长协同探测、实时数据处理算法优化，以及在城市环境监测和全球气候模型中的深度应用。