Raman雷達(dá)測(cè)量氣溶膠消光系數(shù)

摘 要：文章主要介紹了激光雷達(dá)的原理和氣溶膠的概念，闡述了Raman激光雷達(dá)探測(cè)氣溶膠消光系數(shù)的基本原理和計(jì)算步驟，分析得出氣溶膠消光系數(shù)的變化與氣溶膠的垂直分布，并對(duì)其中可能產(chǎn)生的誤差及該探測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)做一簡(jiǎn)要分析討論。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)；Raman散射；氣溶膠消光系數(shù)

1 研究背景

激光雷達(dá)在近50年來(lái)應(yīng)用日趨變大，作為一種較為便利、可探測(cè)的時(shí)間分辨率及空間分辨率較高的主動(dòng)遙感探測(cè)工具和技術(shù)，已被運(yùn)用于很多方面，主要包括地理、物理、生物、天文、軍事等，也是一種對(duì)大氣的探測(cè)和檢測(cè)十分有效的技術(shù)。

隨著人類的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)排放的固液態(tài)微小粒子不斷進(jìn)入到大氣中，使大氣氣溶膠的含量日益增長(zhǎng)，由于氣溶膠對(duì)天氣氣候和人類的生存有著非常密切的聯(lián)系，所以如何檢測(cè)大氣氣溶膠的含量并有效的控制在當(dāng)下已經(jīng)成為一個(gè)很重要的任務(wù)。而其中多種對(duì)氣溶膠光學(xué)特性的觀察方法中目前最為成型并且利用廣泛的應(yīng)屬利用Raman激光雷達(dá)進(jìn)行觀測(cè)，本文將基于眾學(xué)者的研究成果繼續(xù)開展Raman激光雷達(dá)對(duì)氣溶膠消光系數(shù)的研究。

2 氣溶膠的定義

氣溶膠粒子是懸浮于大氣中的多種固態(tài)和液態(tài)的微小顆粒物，其直徑大小在0.001μm到0.1μm之間。氣溶膠顆粒主要有固態(tài)和液態(tài)兩種，其中固態(tài)顆粒的氣溶膠被稱作煙，液態(tài)顆粒的氣溶膠被稱作霧。

氣溶膠在對(duì)天氣系統(tǒng)的影響中有很重要的作用，它主要能夠從兩個(gè)方面影響天氣和氣候。一方面它可以將太陽(yáng)光反射到太空中，使大氣降溫，同時(shí)也降低大氣能見度，另一方面能通過(guò)微粒的散射、漫反射以及吸收一部分的太陽(yáng)輻射，減少地面長(zhǎng)波輻射向太空的輻射，從而使大氣升溫。另外，氣溶膠進(jìn)入大氣中成為水滴和冰晶的凝結(jié)核，在符合一定條件后將會(huì)形成降雨和降雪等天氣現(xiàn)象，這也是天氣預(yù)報(bào)的主要內(nèi)容之一，如果不能很好的預(yù)報(bào)到一些關(guān)鍵地區(qū)關(guān)鍵時(shí)間的降水情況甚至有可能會(huì)導(dǎo)致一些災(zāi)難的發(fā)生。

3 Raman激光雷達(dá)概述

3.1 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)是一種主動(dòng)式光學(xué)遙感設(shè)備，其光源是激光，這種裝置遙感大氣的基本原理是探測(cè)大氣與激光之間互相影響的輻射信號(hào)。因?yàn)槠洳捎玫奶綔y(cè)束具有極強(qiáng)的定向性，而且波長(zhǎng)較短，所以其時(shí)空分辨能力、探測(cè)靈敏度很高，正因如此，在大氣氣溶膠物理-光學(xué)性質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域內(nèi)，激光雷達(dá)已成為一種主要方法。

3.2 Raman激光雷達(dá)系統(tǒng)

Raman散射原理是激光雷達(dá)的理論基礎(chǔ)。Raman散射激光雷達(dá)是指用于大氣氣體分子濃度探測(cè)的激光雷達(dá)。由于氣體分子Raman散射頻移現(xiàn)象與激光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，僅與散射分子的成分相關(guān)。因此，通過(guò)激光雷達(dá)測(cè)獲的Raman散射頻移即可確定待測(cè)氣體的分子成分，Raman散射回波幅度則能確定待測(cè)氣體濃度。通常來(lái)說(shuō)，采用Raman散射激光雷達(dá)即能把污染氣體分子與水汽分布排放濃度等測(cè)出。

Raman散射激光雷達(dá)所測(cè)獲的外來(lái)輻射噪聲包括以下兩部分。其一，天空背景輻射（Raman散射波長(zhǎng)）導(dǎo)致的噪聲，不過(guò)，該部分輻射噪聲在夜間探測(cè)時(shí)忽略不計(jì)。其二，激光照射大氣形成的外來(lái)輻射噪聲所導(dǎo)致的Mie和Rayleigh后向散射光輻射，它的散射波長(zhǎng)極其接近于Raman散射波長(zhǎng)，所以會(huì)顯著影響到Raman后向散射光信號(hào)。Raman散射信號(hào)僅僅約為Mie散射信號(hào)的1/1000，極弱。因此，必須要有效的抑制噪音值，方能確保有效的接收到Raman雷達(dá)信號(hào)。

4 Raman雷達(dá)測(cè)量大氣氣溶膠消光系數(shù)

Raman雷達(dá)測(cè)量大氣氣溶膠消光系數(shù)原理及計(jì)算步驟：

令Raman激光雷達(dá)方程寫為：

這里的P是在z距離上Raman波長(zhǎng)為？姿R，激光脈沖傳輸波長(zhǎng)為？姿L時(shí)所接受到的能量，O（z）是介于激光射線和光學(xué)接收器之間形成的重疊函數(shù)，α是以波長(zhǎng)？姿L和？姿R為變量的總消光系數(shù)，B包含所有與深度無(wú)關(guān)的參考量，散射系數(shù)β與微分Raman雷達(dá)接收到的后向散射截面d？滓/d？贅的氣體分子數(shù)密度的關(guān)系式為：

氮和氧的分子數(shù)密度都可以直接使用，因?yàn)樗麄兊拿芏韧ǔＪ且阎摹Ｈ绻す馐膫鬏斖緩酵耆赗aman激光雷達(dá)系統(tǒng)接收器的視野中，則O（z）為恒定值，則有：

（3）

這個(gè)結(jié)果支持高度Z>Zmin時(shí)關(guān)于拉曼雷達(dá)的重復(fù)作用 。

（3）式為得出的主要計(jì)算公式。人們根據(jù)大量的實(shí)際探測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)想理論， 規(guī)定了“標(biāo)準(zhǔn)大氣”，一種特性最為接近實(shí)際大氣并且與高度的關(guān)系較為平均分布的大氣模型，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)大氣的模型，可以得出大氣密度在高度z上得表達(dá)：

表達(dá)式中P0為的海平面上的標(biāo)準(zhǔn)大氣密度P0=2.5×1019/cm3，H=8.3km，故可以得出N（z）=78%P（z）。N為散射體的數(shù)密度，在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，N=2.687×1019mol/cm3，n=1.000278。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)Raman激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)大氣氣溶膠消光系數(shù)的探測(cè)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算過(guò)程，可以得出Raman激光雷達(dá)系統(tǒng)在這方面的一些優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）優(yōu)點(diǎn)：Raman激光雷達(dá)可以對(duì)氣溶膠的空間垂直分布有較

高精度的測(cè)量，并且有較好的探測(cè)距離，文中源數(shù)據(jù)的空間分辨率為150m，這在探測(cè)氣溶膠含量和對(duì)其消光系數(shù)的計(jì)算過(guò)程中提供了較為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，且測(cè)量出的消光系數(shù)精度也較高，可達(dá)到10-4～10-5/m，其精度也是非常準(zhǔn)確的。Raman激光雷達(dá)系統(tǒng)的時(shí)間分辨率也較高，探測(cè)數(shù)據(jù)的頻率較高。這樣總的來(lái)說(shuō)Raman激光雷達(dá)系統(tǒng)具有很好的時(shí)空分辨率。

（2）缺點(diǎn)：拉曼信號(hào)非常的微弱，信噪比很小。所以我們一般在夜晚進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但往往還是會(huì)受到其他波長(zhǎng)的噪聲影響，此時(shí)通常使用濾光片去其他波長(zhǎng)的噪聲。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：王子立（1989-），男，云南昆明人，本科，助理工程師，研究方向：大氣物理學(xué)與大氣探測(cè)。