微脈沖激光雷達對城市大氣氣溶膠污染過程相關(guān)的觀測分析

【摘要】 近年來，由于經(jīng)濟的快速發(fā)展，引起了人類生產(chǎn)活動的變化，同樣也使得因人類活動引起的大氣溶膠污染問題變得越來越明顯，加之我國的氣候特點，在春季受到沙塵氣溶膠的影響，使大氣環(huán)境問題變得越來越嚴重。通過微脈沖激光雷達探測器能對大氣氣溶膠的演變規(guī)律和垂直分布的特征進行很好地觀測，從而為控制城市大氣污染提供相應(yīng)參考。

【關(guān)鍵詞】 微脈沖 激光雷達 城市大氣 氣溶膠

傳統(tǒng)的激光雷達是利用大氣氣溶膠能對雷達激光進行散射的特性，并在分析雷達探測器接收的其回波信號的量級大小來得到大氣的一些物理特征。因激光的發(fā)射波長略小于氣溶膠粒子的尺度，且光探測器的靈敏度較高，故激光雷達是現(xiàn)階段觀測大氣污染應(yīng)用最廣泛的探測系統(tǒng)。微脈沖激光雷達是在傳統(tǒng)激光雷達的基礎(chǔ)上，將低脈沖的能量通過較高的重復(fù)頻率發(fā)射出去，這種探測器具有較高的信噪比，能在一定程度上實現(xiàn)對氣溶膠散射的定性測量，保證了探測時的準確性。

一、何為大氣氣溶膠

大氣氣溶膠指的是懸浮于大氣中的空氣動力學(xué)直徑在0.001～1.00微米間的微粒體系。其空氣動力學(xué)的可定義為：與要研究的微粒有相同降落速度的球體直徑，這是由于在大氣中氣體溶膠微粒的形狀一般都是不規(guī)則的，采取空氣動力學(xué)的直徑進行定義，是一種有效的表示方式。

1.1大氣溶膠的分類

大氣溶膠微粒按其空氣動力學(xué)的直徑可分成如下的幾種：

第一種，飄塵，這是一種能在大氣中處于長期漂浮狀態(tài)的懸浮物，其直徑一般小于10微米。

第二種，總懸浮顆粒物，能用顆粒采樣器在濾膜上收集到的總的顆粒物的質(zhì)量，其直徑大都在100微米以下。

第三種，可吸入式的粒子，此種粒子能通過呼吸過程進入到人的呼吸道中。

第四種，細粒子，指動力學(xué)直徑小于2.5微米的顆粒物，也被成為PM2.5。

1.2大氣溶膠的組成

大氣溶膠的組成成分非常復(fù)雜，其中受到人類活動影響的組成成分主要有離子成分、痕累元素的成分和一些有機組成成分。

二、微脈沖激光雷達

微脈沖激光雷達的概念出現(xiàn)在1993年。微脈沖激光雷達的工作原理是向大氣中發(fā)出激光的信號，并在激光信號反射回來之后，分析回波中的信息，從而發(fā)現(xiàn)大氣中的一些物理特征。在此回波中，包含了大氣中對散射光的頻率和相位等方面的信息。利用這些豐富的回波信息，可以分析出大氣內(nèi)的很多物理特征，加之光探測器的靈敏度較高，因而，微脈沖激光雷達探測器對煙、塵等大氣中的微粒具有很好地探測作用。

2.1微脈沖激光雷達探測器的優(yōu)勢

2.1.1能進行連續(xù)工作的時間較長

微脈沖激光雷達探測器中使用的是激光器是固態(tài)二極管類型的激光器，會使得微脈沖激光雷達的工作壽命超過普通意義上的激光器雷達，同時，一年只需對其進行正常的維護工作之后，就能在長時間下連續(xù)運行。

2.1.2具有脈沖能量低，且發(fā)射能量對人體不構(gòu)成威脅

此種激光器能以低脈沖含量采用較高的重復(fù)頻率方式將此脈沖能量集中在望遠鏡的鏡片上，微脈沖激光器的發(fā)射能量低，在一定程度上保證了在監(jiān)視儀器運轉(zhuǎn)時觀察人員的人身安全，還能使系統(tǒng)在穩(wěn)定的運行環(huán)境中進行工作。

2.2微脈沖激光雷達組成

微脈沖激光雷達主要由四部分組成：光學(xué)收發(fā)天線、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、激光發(fā)射系統(tǒng)以及探測器。

MPL發(fā)射接收處理器被安放在了一個恒溫室內(nèi)，光學(xué)收發(fā)天線是一個直徑為20cm的格林望遠鏡，在望遠鏡下方連結(jié)的是光電計數(shù)器。在發(fā)射接收器上連結(jié)的是計數(shù)器和激光發(fā)射器，接收器的另一端被連結(jié)在計算機上。

2.3微脈沖激光雷達探測的原理

微脈沖激光雷達將激光器所產(chǎn)生的激光脈沖直接發(fā)射到大氣中，大部分脈沖與大氣中的氣溶膠相互作用，發(fā)生散射，一小部分脈沖被后向散射，并被接收器進行接收。接收器將接收到的能量傳輸?shù)焦馓綔y器上，光信號就會被轉(zhuǎn)換成電信號。針對激光雷達來說，由于接收到的后向散射光距離都不相同，在已知光速的條件下，記錄下從發(fā)出激光直到接收返回光時間上的間隔從而確定出激光雷達與發(fā)生散射物體之間的距離。另外，接收到的信號在經(jīng)過大氣雙向衰減之后，信號的強度便由大氣中的后向散射來決定，同時，也和所用激光器的波長有關(guān)，與大氣中氣溶膠粒子數(shù)的大小和形狀也存在關(guān)系。通過對探測到的結(jié)果進行反演，就能得出大氣中氣體溶膠的垂直分布情況和氣體的濃度的特性，以及云層高度等。

三、激光雷達對城市大氣氣溶膠污染的研究

激光雷達首次被應(yīng)用在對大氣的探測上是作為測量云高的儀器。直到1960年，隨著第一臺激光器被成功研制出之后，激光技術(shù)便在大氣探測中快速地應(yīng)用了。在激光技術(shù)不斷發(fā)展中，激光雷達因其高空間分辨率和高效性一直被作為探測大氣污染的工具。

激光雷達作為探測器在地基探測中的應(yīng)用最為廣泛，并對大氣氣溶膠和云結(jié)構(gòu)中的探測更具自動化、小型化和網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)勢。國外的一些學(xué)者在激光雷達對氣溶膠的探測分析方面已經(jīng)做了很多工作。

有的應(yīng)用小波協(xié)方差方法對微脈沖激光探測器探測到的數(shù)據(jù)進行分析處理，得到了更加準確的結(jié)果；我國的學(xué)者徐赤東利用其自主研制的偏振式的微脈沖雷達探測器對廣州的大氣氣溶膠進行了連續(xù)時間段的探測，并且在之后分析了一次污染在形成過程中的特征，從而證明了大氣污染等大氣中的消光物質(zhì)的有效性；潘鵠等利用激光雷達探測到的數(shù)據(jù)對上海的一次典型的灰霾天氣進行了光學(xué)厚度和氣溶膠消光系數(shù)的比較分析，證明了激光雷達對大氣氣溶膠污染探測中的作用。

在激光雷達對空間的探測中，國外的學(xué)者研發(fā)了一臺具有較高分辨率的激光雷達探測器，同時，利用了一次模擬探測數(shù)據(jù)的方法分析了激光雷達對探測大氣中氣溶膠的可行性；其中，應(yīng)用最為廣泛的激光雷達是具有雙波長的激光雷達CALIOP，研究者可利用此激光雷達探測到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對大氣溶膠的退偏振度進行計算，發(fā)現(xiàn)，此種類型的激光雷達探測器能有效地分析出大氣中氣溶膠的組成和垂直的高度信息。

四、微脈沖激光雷達探測大氣氣溶膠方法的分析

4.1探測所用的數(shù)據(jù)來源

在對微脈沖激光雷達探測器探測到的數(shù)據(jù)分析進行時，其數(shù)據(jù)的采集一般是在一整年中的觀測數(shù)據(jù)，并在一年中的數(shù)據(jù)中選擇四個具有代表性的月份利用微脈沖激光器進行連續(xù)地探測，通常設(shè)置的時間分辨率為30s，高度的分辨率為30m，與此同時，還要配合觀測站內(nèi)的另外有效數(shù)據(jù)對MPL觀測結(jié)果進行驗證，并對激光器探測的典型大氣氣溶膠污染相關(guān)過程進行全面分析。

4.2對微脈沖雷達探測系統(tǒng)文件的校準

后脈沖校正：MPL在對每個周期開始進行采樣時，由于在探測器內(nèi)部各種元器件間產(chǎn)生的散射效應(yīng)干擾，使探測器在開始時就出現(xiàn)光飽和的現(xiàn)象。對探測結(jié)果造成影響。由于該項變量的函數(shù)受到出射激光能量、背景噪聲和其他因素共同的作用，不能靠直接經(jīng)驗公式來獲得，只能通過后期的修正來完成。故目前采用的解決辦法是將MPL系統(tǒng)放置在溫度變化不大的空間內(nèi)，同時每隔一段固定的時間對后續(xù)沖廊線進行相應(yīng)測量，不斷對函數(shù)進行更新校正。

重合因子校正：對重合因子進行校正主要原因是為了補償由MPL在近端返回信號返回過程中造成的信號損失。但由于其光學(xué)影響的因素難以通過測量的方式進行獲得，一般采用實驗的方式來進行校正。

飽和因子的校正：由于雪崩型的光子計數(shù)器和實際在接受時存在一定的非線性響應(yīng)過程，也可以理解為在雪崩計數(shù)器達到其計數(shù)的上限時，探測器就不能準確記錄光子數(shù)目，造成對返回信號記錄上的損失。為了彌補在計數(shù)率高時雪崩型計數(shù)器造成的飽和效應(yīng)，在探測器出廠之前，廠家都要對其進行飽和因子的校正。

五、微脈沖激光器對探測大氣氣溶膠的發(fā)展展望

第一，微脈沖激光器在進行數(shù)據(jù)反演計算中，在計算大氣氣溶膠的消光系數(shù)時，因受到當(dāng)時實驗條件所限，通常會引入誤差因子Sa，并假定大氣氣溶膠化學(xué)組成不發(fā)生變化，將Sa=50sr帶入相應(yīng)公式進行計算。在以后的研究中，要對Sa進行實時測量和標定，從而在計算時能夠獲得比較準確的反演參數(shù)，在最大程度上使微脈沖激光雷達研究變得更加完善。

第二，在進行微脈沖激光雷達探測器進行數(shù)據(jù)分析時，數(shù)據(jù)要具有廣泛性，可以針對多個城市的數(shù)據(jù)進行分析，從而使得探測的結(jié)果更具有代表性和準確性。同時，也能對城市中大氣氣溶膠的污染狀況獲得更加全面的了解。

六、結(jié)語

由于大氣污染問題變得越來越嚴重，人們對此問題也越來越重視，在微脈沖激光雷達探測大氣氣溶膠方面，目前已經(jīng)建立了較完善的系統(tǒng)和方法，但在消光散射比方面的研究還沒有做到最好，主要是現(xiàn)存的資料不能滿足研究的需要。在今后的研究中要多在此方面加大研究的力度。微脈沖激光雷達探測器具有低信噪比、靈敏度高等方面的優(yōu)點，對于探測大氣污染具有十分重要的作用和意義。相信，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，微脈沖激光雷達探測器中存在的問題會被我們逐漸解決，使得這一技術(shù)變得更加成熟和完善，使之能夠為大氣污染監(jiān)測做出更大的貢獻，到時也會出現(xiàn)更多有意義和價值的研究課題供我們進行深入研究。