一種能夠全方位掃描的氣溶膠監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)研制與應(yīng)用

◎文/劉宏 孔祥鑫 潘煥雙 鄒慶尊 曹永

（安徽藍(lán)盾光電子股份有限公司淮南市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站）

環(huán)境污染防治已被國(guó)家列為重點(diǎn)工作，大氣污染防治尤為重要，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到每個(gè)人的身心健康。大氣污染監(jiān)測(cè)的設(shè)備種類很多，可以將其分為近地面監(jiān)測(cè)設(shè)備和高空探測(cè)設(shè)備。目前，在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域里，比較常用的高空探測(cè)設(shè)備可以根據(jù)其原理和主要監(jiān)測(cè)成分分為測(cè)量氣溶膠、煙羽、云等成分的米散射激光雷達(dá)（以下簡(jiǎn)稱大氣氣溶膠激光雷達(dá)），測(cè)量痕量氣體、氣溶膠、水氣等成分的拉曼散射激光雷達(dá)，吸收效應(yīng)原理的O3監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)，Doppler效應(yīng)的風(fēng)速風(fēng)向激光雷達(dá)（以下簡(jiǎn)稱風(fēng)廓線激光雷達(dá)）等。風(fēng)廓線激光雷達(dá)分別與前述三種激光雷達(dá)組合使用，用于確定監(jiān)測(cè)成分的輸送方向。下面重點(diǎn)介紹一種能夠全方位掃描的大氣氣溶膠監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)。

一、探測(cè)原理

由Nd:YAG激光器所產(chǎn)生的激光為光源垂直或水平發(fā)射到大氣中，并與大氣成分相互作用，產(chǎn)生物理、化學(xué)及光學(xué)信息等輻射信號(hào)，此輻射信號(hào)是反演大氣成分相關(guān)信息的主要依據(jù)。也就是通過(guò)接收系統(tǒng)接收大氣介質(zhì)中球形粒子和非球形粒子后向散射的回波信號(hào)來(lái)反演大氣氣溶膠、沙塵粒子、云等的結(jié)構(gòu)和光學(xué)參數(shù)。球形粒子后向散射為線性偏振，非球形粒子則不再是線偏振光，而是由平行和垂直的兩個(gè)偏振分量，如沙塵和卷云，通過(guò)這兩個(gè)分量并可測(cè)量粒子的退偏振特性。為此，該監(jiān)測(cè)原理可由下列公式[1]表示：

式中，λ為所發(fā)射的激光波長(zhǎng)（nm）；下標(biāo)p與s分別表示后向散射光偏振方向與發(fā)射激光偏振方向平行及垂直的兩個(gè)方向；Pzp(z,λ)及Pzs(z,λ)分別表示激光雷達(dá)接收系統(tǒng)所接收的高度（距離）為z處的大氣介質(zhì)在波長(zhǎng)λ上的后向散射的平行偏振分量及垂直偏振分量的回波功率（W）；Pt（λ）是波長(zhǎng)為λ的激光發(fā)射功率（W）；βp(z,λ)及βs(z,λ)分別是高度（距離）為z處的大氣介質(zhì)在波長(zhǎng)λ上的后向散射系數(shù)的平行偏振分量及垂直偏振分量（km-1·sr-1）；kp及ks都表示雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)（W·km3·sr）,前者代表平行偏振分量值，后者代表垂直偏振分量值；αp(z,λ)及αs(z,λ)分別是高度（距離）在z處大氣在波長(zhǎng)λ上的消光系數(shù)的平行偏振分量及垂直偏振分量(km-1)；Prp(z,λ)和 Prs(z,λ)分別為從望遠(yuǎn)鏡到距離 z處各大氣分子后向散射的回波功率的平行與垂直的兩個(gè)偏振分量；δ(z,λ)為大氣退偏振比。

二、主要組成及作用

目前，國(guó)內(nèi)用于環(huán)境領(lǐng)域的氣溶膠監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)的組成基本都是由激光發(fā)射模塊、光學(xué)接收模塊、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、系統(tǒng)控制模塊等組成。該雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)全方位掃描，所以增加了垂直旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)及水平旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。圖1為激光雷達(dá)的組成及探測(cè)原理示意圖。

激光發(fā)射模塊主要部分是Nd:YAG激光器，所發(fā)射出的激光波長(zhǎng)為1064nm、532nm和355nm，再配置擴(kuò)束鏡和發(fā)射光路等光學(xué)器件,將激光發(fā)射到大氣中。圖1中θ為激光器發(fā)射光束的發(fā)散角。

光學(xué)接收模塊主要由望遠(yuǎn)鏡及后繼光學(xué)等組成。望遠(yuǎn)鏡的類型為卡塞格林望遠(yuǎn)鏡，也就是使后向散射光依次進(jìn)入主鏡（球面鏡）、反射到次鏡（凸面鏡）、反射穿過(guò)主鏡中心的孔洞，匯聚在主鏡后方的焦平面上，進(jìn)入后繼光學(xué)單元進(jìn)行分光。圖1中，ω為望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)角，序號(hào)1和2分別表示大氣中球形粒子和非球形粒子，z表示大氣粒子至望遠(yuǎn)鏡的距離。當(dāng)激光照射到非球形粒子時(shí)，其后向散射的回波信號(hào)與發(fā)射激光偏振方向平行和垂直的兩個(gè)偏振分量通過(guò)后繼光學(xué)將其分開(kāi)，其回波功率在圖1中分別用P11和P⊥表示，也就是前面公式中提到的Pzp(z,λ)及 Pzs(z,λ)。

信號(hào)采集模塊是由信號(hào)探測(cè)器（PMT）、高壓模塊、采集卡等組成，用以采集三個(gè)波長(zhǎng)大氣后向散射回波信號(hào)，將其光信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并進(jìn)行放大處理。

數(shù)據(jù)分析模塊主要由工控機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、算法及分析軟件等組成。被轉(zhuǎn)換的電信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大后進(jìn)入采集卡進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供工控機(jī)的軟件處理，通過(guò)相關(guān)反演算法將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為可讀性高的圖譜，并通過(guò)顯示器顯示。

系統(tǒng)控制模塊是由工控機(jī)及控制軟件組成，主要對(duì)激光器開(kāi)關(guān)、望遠(yuǎn)鏡的垂直旋轉(zhuǎn)與水平旋轉(zhuǎn)、回波信號(hào)的接收與采集、數(shù)據(jù)的分析等進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，包括附加的天窗吹掃及加熱除濕等。

圖1 激光雷達(dá)的組成及探測(cè)原理示意圖

三、數(shù)據(jù)采集與分析

該雷達(dá)于2017年10月、11月在安徽淮南及淮北兩地進(jìn)行了實(shí)地監(jiān)測(cè)，進(jìn)行了水平360°掃描監(jiān)測(cè)污染源分布應(yīng)用和垂直探測(cè)氣溶膠時(shí)空分布應(yīng)用。

1.水平360°掃描監(jiān)測(cè)污染源分布應(yīng)用

利用本氣溶膠激光雷達(dá)，于2017年10月21日9:15至10:15時(shí)段在淮南市的八公山區(qū)進(jìn)行了水平360°掃描監(jiān)測(cè)，雷達(dá)掃描的有效半徑為5.18km。掃描結(jié)果如圖2所示。

圖2 激光雷達(dá)水平360°掃描氣溶膠結(jié)果圖

結(jié)合激光雷達(dá)水平360°掃描圖譜（見(jiàn)圖2），可以清楚地看到在儀器安放點(diǎn)位（圓中心）的西南角存在明顯的片狀污染源（紅色部分）。結(jié)合軟件GIS可以看到，片狀污染的下方是大面積的采石場(chǎng)區(qū)域。通過(guò)實(shí)地考察取證，現(xiàn)場(chǎng)采石作業(yè)繁忙，作業(yè)引起的揚(yáng)塵顆粒明顯，并向高空及四周擴(kuò)散，因此最終導(dǎo)致雷達(dá)監(jiān)測(cè)到片狀污染區(qū)域。

2.垂直探測(cè)氣溶膠時(shí)空分布應(yīng)用

結(jié)合本設(shè)備的垂直探測(cè)（垂直朝向高空）方式，于11月10日0:19至8:25時(shí)段，在淮北市進(jìn)行了駐點(diǎn)觀測(cè)。激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3為淮北市的11月10日氣溶膠雷達(dá)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)顯示的532nm的消光與退偏圖譜。凌晨1:00左右淮北市上空1.1～1.6km高度層開(kāi)始逐漸出現(xiàn)高空污染輸送層。隨時(shí)間推移，高空輸送層逐漸加重，并從凌晨5:00開(kāi)始逐漸向近地面沉降。凌晨7:00污染快速沉降，且濃度也加重。通過(guò)退偏圖譜來(lái)看，淮北市監(jiān)測(cè)期間退偏較大，說(shuō)明上空污染主要為表面不規(guī)則顆粒物。

圖3 淮北駐點(diǎn)垂直觀測(cè)氣溶膠時(shí)空分布圖

圖4 真氣網(wǎng)發(fā)布淮北市2017年11月10日AQI變化曲線圖

圖4為真氣網(wǎng)發(fā)布的淮北市地面空氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)說(shuō)明，在2017年11月10日6:00空氣質(zhì)量由良逐漸演變?yōu)檩p度污染，并快速演變至中度污染，1小時(shí)內(nèi)再次上升為重度污染。

圖5 2017年11月10日NOAA衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到淮北市上空后向軌跡圖

結(jié)合10日的NOAA衛(wèi)星的后向軌跡圖（見(jiàn)圖5）數(shù)據(jù)來(lái)看，污染氣團(tuán)主要來(lái)自西北方向，西北方向近地面的污染隨氣團(tuán)不斷上升，至10日凌晨左右傳輸至淮北上空。

四、結(jié)論

通過(guò)儀器設(shè)備的實(shí)地監(jiān)測(cè)應(yīng)用說(shuō)明，本款氣溶膠激光雷達(dá)在水平掃描監(jiān)測(cè)時(shí)，能快速有效地尋找到污染源的排放地點(diǎn)；在垂直探測(cè)應(yīng)用時(shí)，能夠有效地監(jiān)測(cè)出氣溶膠污染濃度的時(shí)空分布，并能完整地呈現(xiàn)污染團(tuán)的整個(gè)演變過(guò)程，同時(shí)結(jié)合退偏圖譜能有效地判斷出氣溶膠的規(guī)則形狀，如此為環(huán)境監(jiān)測(cè)部門提供有效的數(shù)據(jù)支撐，是一款非常實(shí)用的遙感監(jiān)測(cè)設(shè)備。同時(shí)，這種遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)手段也彌補(bǔ)了現(xiàn)階段高空氣溶膠實(shí)時(shí)濃度分布監(jiān)測(cè)技術(shù)的空白。