多波長發光二極管光源雷達系統與近地面低層大氣氣溶膠探測?

鐘文婷 劉君 華燈鑫 侯海彥 晏克俊

(西安理工大學機械與精密儀器工程學院,西安 710048)

1 引 言

大氣近地面含有大量的氣溶膠顆粒物,而氣溶膠顆粒物能夠影響地氣系統的輻射平衡,并通過消光作用改變能見度,影響大氣化學過程從而改變溫室氣體成分,影響空氣質量,與人類的生活和生產息息相關.對近地面大氣氣溶膠的研究是目前環境領域研究的熱點之一[1?3].為了更好地研究近地面氣溶膠的行為,須對其光學特性進行可靠的測量.

傳統的地面監測儀器可以對地面上的氣溶膠進行精確地連續監測,但是難以獲得近地面氣溶膠的垂直高度分布信息[4?6].激光雷達是探測氣溶膠時間和空間分布的有效手段,但其發射波長固定,而且存在較長距離的探測盲區[7,8],使其在特定波長探測和低層大氣探測時受到限制.隨著遙感探測技術和發光二極管(light emitting diode,LED)光源技術的發展,近年來出現了以大功率LED作為遙感光源的光學雷達.LED光源雷達不僅具有激光雷達可以對大氣進行時間和空間分布探測的特點,而且它盲區很小、發射能量對眼安全,更適合探測與人類活動密切相關且氣溶膠分布較多的低層大氣[9].LED光源的最顯著特點是可選擇的波長豐富,現在可用于遙感雷達的大功率LED的波長有十余種之多,這就對利用雷達進一步研究氣溶膠的特性提供了有效手段.對LED光源雷達的研究主要以日本千葉大學的Shiina Tatsuo等學者為代表,用波長392 nm的LED研制了能夠探測0—300 m距離內大氣并區分粉塵特性的LED迷你雷達[10,11],用波長349 nm的LED研制了檢測氫氣泄漏的緊湊型Raman雷達[12,13],采用波長385 nm的LED雷達測量海浪并分析了海浪的周期和速度[14].國內除了我們在文獻[15]設計的波長530 nm的LED光源氣溶膠探測雷達之外,未見其他關于LED用于光學遙感雷達的報道,多波長LED雷達的研究也未見報道.

本文利用LED波長豐富的特點,提出了一種用于探測近地面低層大氣氣溶膠的多波長LED光源雷達系統.闡明了雷達的系統構成和工作原理,通過分析雷達的幾何重疊因子,確定后向散射光完全進入望遠鏡接收視場角的最低高度,并研究了LED雷達的數據反演算法.建立了波長為475,530和625 nm的多波長LED光源雷達系統,在輕度、中度和重度污染天氣情況下,對西安市近地面低層大氣氣溶膠進行了探測,獲得了各波長的消光系數隨高度的分布廓線.

2 多波長LED光源雷達系統

2.1 系統構成及工作原理

設計的多波長LED光源雷達系統采用同軸發射接收的模式,如圖1所示,主要由LED光源發射部分、望遠鏡接收部分、分光與檢測部分和計算機信號采集與處理部分組成.LED光源可選擇的波長較多,本系統選用475,530和625 nm,研究氣溶膠在這三個波長上的光學特性.采用單顆大功率LED燈珠作為光源,由脈沖驅動電源驅動LED光源發出脈沖光,脈沖波形近似矩形波,脈寬為200 ns,垂直分辨率為30 m.LED燈珠發光面積為1 mm×1 mm,發散角大,利用專門設計的準直擴束光路將光束發散角壓縮至11 mrad[16].光束采用與望遠鏡同軸的方式射入大氣.產生的后向散射光被卡塞格林望遠鏡的兩面反射鏡反射后,通過光闌進入分光與檢測部分.經窄帶干涉濾光片分光后由光電倍增管(PMT)接收,最后由計算機進行數據采集與處理.考慮到光源能量弱,為了有效降低回波信號的白噪聲,設置了高脈沖重復頻率(100 kHz),脈沖累積時間為15 min.系統在工作時,LED光源采用每間隔15 min更換一種波長光源的方法,在更換LED燈珠的同時,更換相應波長的窄帶干涉濾光片,實現多波長探測.此時,由于3個波長是在間隔較短時間內探測,所以選擇在氣溶膠狀態變化較小的無風天氣下進行實驗.系統主要參數如表1所列.

圖1 LED光源雷達系統Fig.1.LED light source radar system.

表1 多波長LED光源雷達系統參數Table 1.Parameters of multi-wavelength LED radar system.

2.2 LED光源雷達幾何重疊因子分析

研制的LED光源雷達系統采用同軸發射與接收的工作方式,接收視場角大于光束發散角時,遠處的后向散射光可以完全進入接收望遠鏡,但近處存在一段距離的盲區和過渡區,使得近處的后向散射光不能全部被系統接收[17,18].因此,在探測近地面大氣氣溶膠時,為了明確后向散射光能夠完全被系統接收的最低高度,需要對系統的幾何重疊因子Y(R)進行分析.

LED光源雷達的幾何重疊因子由發射部分和接收部分的結構確定,圖2為同軸LED雷達系統發射與接收示意圖,圖中Dr為望遠鏡口徑,Dt為出射光斑直徑,Do為望遠鏡前方遮擋直徑,Da為光闌直徑,θr為接收視場角,θt為光束發散角.當接收視場角大于光束發散角時,若不考慮反射鏡遮擋,發射光束始終在望遠鏡接收視場范圍內.根據文獻[18],后向散射光線被雷達系統接收的條件為:散射光線與光軸的夾角φ滿足φ<θr/2.因此,視場內某一點發出的散射光線能否被系統接收,可分為以下三種情況:

1)受望遠鏡前方反射鏡遮擋,在圖中陰影部分,粒子產生的散射光無法進入光闌;

2)如圖2中點A,經點A入射到望遠鏡中的后向散射光線并非全都滿足φ<θr/2的條件,意味著點A產生后向散射光只有部分能通過光闌被系統接收;

3)如圖2中點B,經點B入射到望遠鏡中的后向散射光線全都滿足φ<θr/2的條件,若不考慮反射鏡遮擋,點B產生后向散射光全部都可以通過光闌被系統接收.

圖2 LED雷達發射與接收示意圖Fig.2.Schematic of LED radar’s transmitter and receiver.

可以看出,在近距離處,即使光束截面完全處于接收視場內,產生的散射光線也不一定能全部被雷達系統接收.光束截面中,設進入望遠鏡視場的截面面積與光束截面總面積之比為η(R),入射到望遠鏡的散射光線可以全部通過光闌的區域面積與光束截面總面積之比為η′(R),幾何重疊因子Y(R)應介于η(R)和η′(R)之間.

在近處,當R6R1,由于望遠鏡前方反射鏡遮擋,光束沒有進入望遠鏡接收視場,此時η(R)=0;當R1R2,光束全部進入接收視場,η(R)=1.

當R6R3,光束截面中的任何粒子產生的后向散射光線都不可能全部通過光闌,η′(R)=0;當R3R4,若不考慮遮擋物的影響,光束截面中的任何粒子產生的后向散射光線都能全部通過光闌被系統接收,此時η′(R)=1.

根據圖2中的幾何關系可以得出,R1=(Do?Dt)/(θr+θt),R2=Do/θr,R3=Dr/θr,R4=(Dr+Dt)/(θr?θt), 當R1

圖3給出了根據(1)和(2)式以及表1所列系統參數繪制的η(R)和η′(R)隨距離R的變化曲線.

圖3 η′(R)和η(R)隨距離R的變化Fig.3.Curves of η′(R)and η(R)with distance R.

從圖3可知,由于幾何重疊因子Y(R)介于η(R)和η′(R)之間,60 m之前,η′(R)

3 回波信號數據反演方法

LED光源雷達系統接收到大氣后向散射回波信號,通過反演雷達方程獲得氣溶膠的消光系數和后向散射系數.雷達方程如下:

式中λ為探測波長,R為探測距離,P(λ,R)為雷達接收到的回波信號功率,C為雷達的系統常數,Y(R)為重疊因子,βa(λ,R)為氣溶膠的后向散射系數,βm(λ,R)為大氣分子的后向散射系數,αa(λ,R)為氣溶膠的消光系數,αm(λ,R)為大氣分子的消光系數.本系統采用三個不同探測波長,可得到相應的三個雷達方程.

由于LED光源雷達能量小,探測距離比較近,適合采用Fernald前向積分法[19]反演氣溶膠消光系數,其數學表達式為

式中Sm=8π/3為大氣分子的消光后向散射比,Sa為氣溶膠的消光后向散射比,Rc為邊界點高度值.

在利用Fernald前向積分法進行回波數據反演時,需要確定適合高度處的邊界值,邊界點的選取失誤會對反演結果產生較大影響[20].根據2.2節系統幾何重疊因子的分析,在60 m高度以上,幾何重疊因子Y(R)=1;60 m以下,幾何重疊因子Y(R)<1.根據文獻[8],短距離內距離平方校正信號(range squared corrected signal,RSCS)可以認為是線性分布,利用斜率一致的原則對60 m以下的RSCS進行修正.考慮將邊界點高度Rc取值在5 m,然后利用Fernald前向積分法反演5 m以上高度的氣溶膠消光系數.

氣溶膠消光系數的邊界值αa(λ,Rc)可以根據同一高度(5 m)能見度儀數據換算得到,能見度V(單位:km)與氣溶膠消光系數(單位:km?1)的經驗關系式[21]為

其中大氣分子的消光系數αm(λ,R)可采用美國標準大氣模型的數據,q取值為

利用能見度儀的數據,通過(5)式的計算,可以獲得一個比較準確的氣溶膠消光系數的邊界值,減小消光系數的反演誤差.

4 近地面低層大氣氣溶膠觀測與分析

2018年初,分別選取了輕度、中度和重度污染天氣,利用建立的多波長LED光源雷達系統在西安理工大學雷達中心對夜晚的西安市低層大氣氣溶膠進行了垂直探測,獲得了高度約300 m內三個波長下大氣氣溶膠消光特性分布,并對其變化特征進行了分析.LED光源雷達觀測的同時,雷達中心的CJY-1G型前向散射能見度儀測量實時能見度,為反演消光系數提供邊界值,該儀器測量范圍為10—50000 m,精度為±10%(能見度61500 m時)或者±20%(能見度>1500 m時).

4.1 輕度污染天觀測結果與分析

2018年2月4日晚(晴天),空氣質量指數AQI在120到135之間,屬于輕度污染天氣.在當晚21:00(雷達中心能見度儀的能見度數據為8 km)進行了一次觀測,探測結果示于圖4.圖4(a)為探測回波的RSCS,從探測曲線來看,530 nm波段在150 m高度內數據可靠,150 m高度以上,信噪比較低,曲線波動變大,475和625 nm波段在210 m高度內數據可靠.圖4(b)為氣溶膠消光系數的高度分布曲線,三個波長的消光系數隨高度增加逐漸減小,在5—210 m高度內,475 nm波段消光系數從0.66 km?1減小到0.09 km?1,625 nm波段消光系數從0.47 km?1減小到0.06 km?1,530 nm波段消光系數在5—150 m高度內從0.57 km?1減小到0.13 km?1.

圖4 2018年2月4日21:00垂直觀測結果 (a)RSCS;(b)消光系數高度分布曲線Fig.4.Vertical observations at 21:00 on February 4,2018:(a)RSCS;(b)aerosol extinction coefficient.

4.2 中度污染天觀測結果與分析

2018年3月20日晚至21日凌晨(多云間晴),空氣質量指數AQI在169到178之間,屬于中度污染天氣.在夜晚21:00、凌晨0:00和3:00分別用三個波長對氣溶膠進行了探測,圖5為系統探測到的回波RSCS,從曲線的波動可以看出,475和625 nm波段在300 m高度內數據可靠,530 nm波段在150 m高度內數據可靠.

圖6為氣溶膠消光系數的高度分布曲線. 圖6(a)為20日21:00(能見度為2.7 km)的消光系數隨高度變化曲線.在5—270 m高度內,475 nm波段消光系數從1.61 km?1減小到0.05 km?1,625 nm波段消光系數從1.30 km?1減小到0.02 km?1,530 nm波段消光系數在5—150 m高度內從1.48 km?1減小到0.11 km?1.可以看出,21:00時,氣溶膠在低處濃度較高,氣溶膠消光系數隨高度的增加而減小.

圖5 2018年3月20日至21日回波信號的RSCS (a)20日21:00;(b)21日00:00;(c)21日3:00Fig.5.RSCS on March 20–21,2018:(a)21:00 at 20;(b)00:00 at 21;(c)3:00 at 21.

圖6 2018年3月20日至21日氣溶膠消光系數 (a)20日21:00;(b)21日00:00;(c)21日3:00Fig.6.Aerosol extinction coefficient on March 20–21,2018:(a)21:00 at 20;(b)00:00 at 21;(c)3:00 at 21.

圖6(b)所示為21日0:00(能見度為2.4 km)的消光系數隨高度變化曲線.在5—300 m高度內,475 nm波段消光系數從1.81 km?1減小到0.08 km?1,625 nm波段消光系數從1.47 km?1減小到0.04 km?1,530 nm波段消光系數在5—150 m高度內從1.66 km?1減小到0.19 km?1.此時,各高度處消光系數都比21:00時有所增大.

圖6(c)所示為21日3:00(能見度為2.2 km)的消光系數隨高度變化曲線.在5—300 m高度內,475 nm波段消光系數從1.97 km?1減小到0.13 km?1,625 nm波段消光系數從1.61 km?1減小到0.06 km?1,530 nm波段消光系數在5—150 m高度內從1.82 km?1減小到0.21 km?1.數據表明,各高度處消光系數都比0:00時有所增大.

4.3 重度污染天觀測結果與分析

2018年1月18日晚至19日凌晨(霧霾),能見度為2—3.5 km,空氣質量指數AQI在205到232之間,屬于重度污染天氣.在夜晚20:00,23:00和凌晨2:00分別用三個波長對氣溶膠進行了探測.圖7為系統探測到的回波RSCS,可以看出,475和625 nm波段在300 m高度內數據可靠,530 nm波段在150 m高度內數據可靠.

圖7 2018年1月18日至19日回波信號的RSCS (a)18日20:00;(b)18日23:00;(c)19日2:00Fig.7.RSCS on January 18–19,2018:(a)20:00 at 18;(b)23:00 at 18;(c)2:00 at 19.

圖8 2018年1月18日至19日氣溶膠消光系數 (a)18日20:00;(b)18日23:00;(c)19日2:00Fig.8.Aerosol extinction coefficient on January 18–19,2018:(a)20:00 at 18;(b)23:00 at 18;(c)2:00 at 19.

圖8所示為經反演后獲得的氣溶膠消光系數的高度分布曲線.圖8(a)為18日20:00(能見度為3.2 km)的消光系數隨高度變化曲線.從圖8(a)中可以看出,在5—150 m高度內,各波長氣溶膠消光系數隨高度的增加快速減小.在5—270 m高度內,475 nm波段消光系數從1.37 km?1減小到0.04 km?1,625 nm波段消光系數從1.09 km?1減小到0.02 km?1,530 nm波段消光系數在5—150 m高度內從1.25 km?1減小到0.11 km?1.

圖8(b)所示為18日23:00(能見度為2.3 km)的消光系數隨高度變化曲線.在5—300 m高度內,475 nm波段消光系數從1.88 km?1減小到0.16 km?1,625 nm波段消光系數從1.53 km?1減小到0.05 km?1,530 nm波段消光系數在5—150 m高度內從1.74 km?1減小到0.17 km?1.可以看出,23:00探測到的各波長的消光系數要比20:00探測到的消光系數大.

圖8(c)所示為19日2:00(能見度為2.7 km)的消光系數隨高度變化曲線.在5—300 m高度內,475 nm波段消光系數從1.61 km?1減小到0.11 km?1,625 nm波段消光系數從1.30 km?1減小到0.04 km?1,530 nm波段消光系數在5—150 m高度內從1.48 km?1減小到0.22 km?1.

從上述三天的數據可以看出,夜晚近地面氣溶膠消光系數隨著高度的增加而減小,尤其在150 m高度范圍內,消光系數減小速度很快.輕度污染天近地面各高度的氣溶膠消光系數均比中度和重度污染天要小,中度污染天的氣溶膠消光系數與重度污染天相近.

5 結 論

本文設計并研制了一臺多波長LED光源雷達系統,介紹了系統的組成及工作原理,該系統可以實現在三個波段(475,530和625 nm)對大氣氣溶膠的探測.通過對系統幾何重疊因子的計算與分析,得出該LED雷達對大氣近地面的探測范圍下限可到60 m,可以實現近距離的大氣探測.對60 m以下的RSCS進行了修正,利用能見度數據確定邊界值,采用Fernald前向積分反演氣溶膠消光系數的垂直分布.分別在輕度污染、中度污染和重度污染天氣情況下,對西安理工大學上空的近地面低層大氣氣溶膠進行了垂直觀測,得到了300 m高度內三個波長的氣溶膠消光系數隨高度的變化曲線.探測結果表明,多波長LED光源雷達是探測近地面大氣氣溶膠垂直分布的一種有效方法,能夠彌補激光雷達在近場探測方面的不足.