多功能大氣探測激光雷達應用

劉博銘，馬盈盈，2，龔 威，2

（1.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢 430072；2.地球空間信息技術協同創新中心，湖北武漢 430079）

0 引言

近年來，隨著中國經濟的快速發展和人民生活水平的提高，人為排放量急劇增加，導致了大氣中的氣溶膠含量急劇上升［1-4］。氣溶膠通過散射和吸收太陽輻射以及改變云的輻射特性來改變大氣輻射收支，進而影響全球和區域氣候變化［4-10］。同時，氣溶膠含量的上升也會造成區域環境變化，導致沙塵暴和霧霾的產生［11-15］。氣溶膠還可能導致健康問題，大氣中的細顆粒污染物進入人體的呼吸系統和血管系統，會對人體健康產生不利影響［16］。因此，對大氣氣溶膠光學和物理特性的研究至關重要。

大氣探測激光雷達具有較高的空間和時間分辨率，可以長期連續地監測污染物的垂直分布，已在世界范圍內得到了廣泛應用［17-20］。最早的大氣探測激光雷達是美國學者FIOCCO 等［21］于1963 年研制的世界首臺紅寶石米散射激光雷達；同年LIGDA［22］也研制了一臺紅寶石米散射激光雷達，主要進行對流層的大氣探測。隨后國內外學者開始陸續開展了大氣探測激光雷達的研制工作，如日本學者IWASAKA 等［23］利用偏振激光雷達對火山灰氣溶膠進行探測，并研究了其對日本大氣的影響；美國學者SCHOTLAND等［24和SASSEN等［25］在利用偏振激光雷達研究了不同形態的云的光學和物理特性；德國學者MüLLER 等［26-28］研制出多波長高光譜分辨激光雷達，用于氣溶膠粒徑譜分布的反演；俄羅斯學者VESELOVSKII等［29-31］也使用多波長拉曼激光雷達對氣溶膠粒徑譜進行研究。國內的大氣探測激光雷達研制工作最早開始于1966 年，由中國科學院大氣所與中國科學院上海光機所共同研發出我國首臺紅寶石米散射激光雷達［32］；隨后多家單位也開展了大氣探測激光雷達的相關工作，如中科院大氣所呂達仁院士等［33］使用紅寶石激光雷達對底層大氣消光系數進行探測；中國科學院安徽光機所的胡歡陵和周軍等相繼研制出米散射激光雷達［34-35］，用于對流層大氣污染物和氣溶膠的垂直分布觀測；其同事劉東和謝晨波等［36-38］研制出多波長拉曼激光雷達，應用于卷云的光學特性觀測；北方民族大學毛建東等［39］開發了一套小型米散射激光雷達系統，用于大氣氣溶膠光學特性和水平能見度測量；西安理工大學閆慶和華燈鑫等［40-42］開發出多種大氣探測激光雷達，用于大氣氣溶膠及云的精確探測；蘭州大學黃建平、黃忠偉和周天等［43-44］基于激光雷達研究了西北地區沙塵氣溶膠的特性；武漢大學龔威和李俊等［45-46］開發出了雙視場激光雷達系統，用于長期觀察武漢區域灰霾污染；中國科學院物數所龔順生和李發泉等47-48］研發了一套共振熒光激光雷達，并用該雷達觀測了武漢地區的鈉層［；中科院上海光機所劉金濤等［49］提出一套用測量大氣風和氣溶膠的高譜分辨激光雷達（HSRL）系統；劉繼橋等［50］提出基于斐索（Fizeau）干涉儀的多普勒激光雷達技術；中國海洋大學吳松華等［51-52］研制出多普勒測風激光雷達，用于大氣風場的精細測量；浙江大學劉東等［53］研制出基于馬克爾遜干涉儀的高譜分辨激光雷達，用于大氣氣溶膠的觀測研究。自激光雷達系統問世以來，已經被廣泛應用于大氣探測、環境監測等領域［54-58］。

早期的單波長激光雷達，可檢測大氣氣溶膠和云的光學特性，如氣溶膠消光系數、后向散射系數和光學厚度，以及大氣邊界層高度、云底和云頂高等基本參數［59-73］。隨著多波長偏振技術提出之后，多波長偏振激光雷達系統被應用于大氣探測領域中。除了觀測大氣氣溶膠和云的光學特性外，還可以觀測到大氣氣溶膠和云的簡單物理特性，如粒子大小和粒子形狀等［74-81］。而今隨著硬件技術的快速發展，各種多波長多功能的激光雷達系統也被投入環境監測領域中，如多波長偏振拉曼-米激光雷達、多波長高光譜分辨率激光雷達等［82-83］。由于可以同時獲取多個波段的信息，可以通過數學物理的方法，進一步去反演大氣氣溶膠和云的粒徑譜分布、復折射指數和相函數等參數［84-87］。此外，通過拉曼散射的信號，還可以反演出大氣溫度和濕度的垂直廓線［88-101］。總的來說，大氣探測激光雷達可以有效地檢測出污染物特性和傳輸過程，對大氣溫度和濕度的變化進行觀測，為全球以及區域氣候變化和大氣模型的研究提供基礎數據支持［102-104］。

目前，我國自主研制的星載多波長高光譜分辨率激光雷達即將發射，它可以提供全球范圍內的大氣氣溶膠的垂直廓線，并用來反演氣溶膠的光學和物理特性。這些信息在污染物傳輸和數值天氣預報方面有著十分重要的應用前景。本文基于地基觀測數據，主要簡述多波長偏振激光雷達在大氣氣溶膠和氣象要素探測中的應用，為之后的星載多波長高光譜分辨率激光雷達數據處理算法提供參考。

1 多波長偏振技術

1.1 大氣散射理論

激光雷達進行大氣探測時，激光脈沖與大氣中的氣溶膠粒子、大氣分子和原子發生多種物理機制的相互作用，使激光在大氣傳播的能量和回波信號的能量強度或波長發生改變，對這些改變的信息進行觀測、分析、反演，就能得到大氣中成分的相關信息［60-62］。激光與大氣的主要作用機理包括反射、折射、吸收、各種散射和誘導熒光等各種光學現象［63-65］。采用多波長激光雷達系統探測大氣氣溶膠時，主要考慮兩種散射機制——米散射和拉曼散射。

米（Mie）散射［11-12］是指當粒子尺度接近或大于入射光波長時，其散射的光強在各方向是不對稱的，其中大部分入射光線沿著前進方向進行散射的現象，如圖1 所示。大氣氣溶膠粒子對入射光的散射強度具有方向性，向前和向后的散射都比較強，向側面的散射比較弱。發生米散射的大氣成分主要是大氣中尺寸較大的氣溶膠粒子和云，以及大氣污染物等。米散射屬于彈性散射，因此，入射光與散射光的波長一致。由于米散射的散射截面較大，所以接收米散射的后向散射信號時，回波信號比較強。

圖1 大粒子散射分布圖Fig.1 Scattering distribution of large particles

拉曼（Raman）散射指的是激光射入大氣后，大氣中的氮氣（N2）、氧氣（O2）、水汽（H2O）等大氣分子會產生振動和轉動拉曼散射［91-95］。拉曼散射是指大氣分子中的電子吸收光子并到達高能級，由于分子的振動或者轉動，電子躍遷不會回到原來的能級。因此，產生的散射光頻率不等于入射激光的頻率，而且頻移量跟分子的能級結構也就是說與分子種類有關。拉曼激光雷達可以用于大氣溫度、水汽含量垂直分布的測量。

1.2 偏振技術

偏振技術是指在雷達的接收系統中加入了檢偏棱鏡［74-75］。一種的檢測偏振態的分光裝置如圖2所示。當回波信號經過檢偏器后，光信號被檢偏器劃分為兩個偏振方向，一個是方向與發射激光偏振方向平行的P 通道，另一個是方向與發射激光偏振方向相垂直的S 通道。之后兩個通道的光信號分別經過探測和采集，最后進入計算機處理系統。

2 激光雷達系統數據應用

多波長偏振激光雷達在大氣污染物探測中具有廣泛的應用，可以準確地獲取大氣氣溶膠的光學和物理參數，以及大氣氣象參數等。下面將詳細介紹激光雷達系統在污染監測中的數據應用。

圖2 檢偏器示意圖Fig.2 Schematic diagram of the analyzer

2.1 氣溶膠光學特性探測

首先，通過激光雷達系統數據可以反演相應波段的氣溶膠的光學特性，包括氣溶膠消光系數、氣溶膠后向散射系數和氣溶膠光學厚度（AOD）等。通過激光雷達數據反演得到的氣溶膠消光系數和光學厚度等參數，可以直接表征大氣狀態，得到大氣污染程度，并已經得到國內外學者的廣泛應用。中國科學院安徽光機所的吳德承等［59］利用激光雷達對合肥地區對流層的氣溶膠光學特性進行了長期觀察。蘭州大學黃忠偉等［60］利用三臺激光雷達聯合觀測了沙塵的光學特性。美國學者HAIR 等［61］采用高光譜分辨激光雷達研究了氣溶膠的光學特性等。

激光雷達系統接收到大氣散射的回波信號后，可以通過Fernald 法［102-103］計算出垂直方向上大氣氣溶膠的消光系數和后向散射系數，同時對垂直方向上的消光系數進行積分，可以得到氣溶膠光學厚度。氣溶膠消光系數是指大氣氣溶膠對光的消散作用，氣溶膠濃度越大，對光的消散作用越明顯。光學厚度是指光在傳輸路勁上的總衰弱。

圖3（a）為532 nm 波段的氣溶膠消光系數的垂直分布。圖中顏色越紅表示消光系數值越大，顏色越藍代表消光系數越小。從圖3 中可以看出，大氣氣溶膠主要分布在0～1 km 的高度上。而且越接近地表，氣溶膠的濃度越大。在0～500 m 高度上，氣溶膠的消光系數均大于0.3 km-1。圖3（b）表示的是532 nm 波段氣溶膠光學厚度隨時間的變化趨勢。可以發現，當晚氣溶膠的光學厚度在0.4～0.6 內變化。

圖3 氣溶膠光學特性參數的垂直分布Fig.3 Vertical distribution of the optical properties of aerosols

2.2 氣溶膠物理特性探測

多波長偏振激光雷達系統還可以觀測氣溶膠的物理特性，包括氣溶膠色比、氣溶膠退偏比、大氣邊界層高度，以及氣溶膠粒徑譜分布等信息。國內外已有許多對氣溶膠色比和退偏比的觀測研究。日本學者SUGIMOTO 等［75］使用雙波長偏振激光雷達觀測了西北太平洋上空的沙塵和人為氣溶膠；德國學者FREUDENTHALERr 等［76］使用多波長偏振激光雷達研究了撒哈拉沙塵的退偏比；武漢大學劉博銘等［77］使用雙波長偏振激光雷達對武漢地區氣溶膠色比和退偏進行了長期觀測；周天等［78］使用星載激光雷達CAILPSO 對塔克拉瑪干地區沙塵進行了研究。

氣溶膠色比表示不同波段的氣溶膠后向散射系數的比值，色比反映了被測顆粒的大小，色比值越大，顆粒越大。氣溶膠退偏比表示同一波段垂直通道的后向散射系數與平行通道的后向散射系數的比值，它反映了被測顆粒的形狀特征，退偏比越大，顆粒越不規則。圖4（a）為532 nm 波段的后向散射系數與355 nm 波段的后向散射系數的色比值。圖4 中顏色越紅表示色比值越大，顏色越藍代表色比值越小。圖4（b）為激光雷達系統反演得到的532 nm 波段氣溶膠退偏比的垂直分布。由于沙塵和冰晶粒子的形狀不規則度高，所以退偏比通常用于區別沙塵和冰晶粒子。

圖4 氣溶膠物理特性參數的垂直分布Fig.4 Vertical distribution of the physical property parameters of aerosols

對于大氣邊界層高度查找的問題，傳統邊界層高度算法有梯度法、小波法等［65-66］，根據氣溶膠的垂直廓線，反演大氣邊界層高度。這是由于邊界層上下的氣溶膠濃度存在明顯差異，因此，氣溶膠垂直廓線在邊界層頂處存在一個顯著的梯度變化，可以通過梯度查找來確定邊界層高度。但是由于大氣狀態是不斷變化的，邊界層頂部存在殘余層，殘余層引起的梯度變化會影響大氣邊界層高度的反演。為了克服殘余層的影響，國內外學者進行了深入研究。蘭州大學的王珍珠等［67］提出了改進的小波變換法來反演邊界層高度，以避免夾卷層的影響；荷蘭學者BRUINE 等［68］發展了一種圖像算法來反演邊界層高度；法國學者PAL 等［69］提出基于地球物理過程的技術來反演邊界層高度。此外，還可以發揮多波長激光雷達的優勢，采用雙波長算法［70-73］，引入色比和退偏比信息，通過區分氣溶膠層和自由大氣來查找邊界層高度。如圖5 所示，不同大氣條件下，邊界層高度反演算法的結果對比。黑色點表示梯度法的結果，紅色點表示雙波長算法的結果。圖5（a）表示穩定大氣條件下，可以發現當大氣處于穩定狀態時，不存在殘余層，此時兩種算法的結果是一致的。而在不穩定大氣條件下，如圖5（b）所示，當有殘余層存在時，梯度法會將殘余層頂部誤判為邊界層頂，導致邊界層高度反演結果偏高。而雙波長算法依然可以很好地查找到邊界層頂部。

圖5 不同大氣條件下，邊界層高度查找算法結果對比Fig.5 Comparison of boundary layer height by different algorithms under different atmospheric conditions

多波長偏振激光雷達可以提供多個波段的氣溶膠消光系數和后向散射系數，因此，還可以用來反演氣溶膠粒徑譜分布。目前國內外在激光雷達反演粒徑譜的主流方法是采用多波長激光雷達信號，使用正則化的方法反演出粒徑譜。正則化反演大氣參數的理論體系最早由德國人MU¨ LLER［26］于1999年提出，他發展了針對6 波段激光雷達（355 nm、400 nm、532 nm、710 nm、800 nm、1 064 nm）的正則化多元大氣參數反演算法。近年來經歷了數次改進和技術突破，正則化算法作為多波長激光雷達反演多元大氣參數的整體框架是被認可的。隨著激光雷達技術的發展，越來越多的學者嘗試使用激光雷達研究大氣粒子的粒徑譜垂直分布問題。西安理工大學狄慧鴿等［84］采用兩個波段的消光信號和三個波段的后向散射系數反演氣溶膠粒徑譜的垂直分布；俄羅斯學者VESELOVSKII 等［31］采用兩個波段的消光信號和六個波段的后向散射系數來反演氣溶膠粒徑譜分布。這些研究表明，激光雷達反演粒徑譜最少需要兩個波段的消光信號和三個波段的后向散射系數，而且需要它們是非線性關系的。因此，可以使用多波長拉曼激光雷達或多波長高光譜分辨激光雷達對大氣氣溶膠粒徑譜分布進行探測。它們都可以提供非線性關系的氣溶膠消光系數和后向散射系數。同時由于每個波長對應的粒子尺度波峰是不一致的（如：在355 nm、532 nm和1 064 nm 波段的消光效率對應的最大直徑分別為～0.48 μm、～0.64 μm 和～1.46 μm，而反向散射效率對應的峰值為～0.92 μm、～1.38 μm 和～2.76 μm），這說明波長信息數量越多，對粒徑譜的反演效果越好。如圖6（a）所示，表示反演粒徑譜分布的基函數曲線，當激光雷達波段數越多時，可以獲得的基函數曲線數量就越多。通過正則化算法，可以完整地重建出不同高度上大氣氣溶膠的粒徑譜分布，如圖6（b）所示。

2.3 氣象要素探測

激光與大氣物質作用時，還會發生拉曼散射。散射光波的頻移量跟分子的能級結構也就是與分子種類有關，因此，多波長拉曼激光雷達系統可以實現大氣溫度、水汽密度的測量。在探測大氣水汽方面，德國學者GERDING 等［88］在北極高緯度地區通過激光雷達探測對流層水汽；西安理工大學王玉峰等［89］使用拉曼激光雷達觀測了西安地區的大氣水汽；武漢大學王威等［90］在武漢地區對大氣水汽進行了長期觀測。水汽含量的垂直分布圖如圖7所示。圖中顏色越深表示水汽含量越大，顏色越淺說明水汽含量越小，可以發現水汽一般集中在1.5 km 以下。

圖6 氣溶膠粒徑譜分布反演Fig.6 Inversion of the particle size distribution of aerosols

圖7 水汽的垂直分布Fig.7 Vertical distribution of water vapor

此外，還有許多關于多波長拉曼激光雷達系統探測大氣溫度的研究。中國科學院武漢物理與數學研究所李亞娟等［91］和中國科學院安徽光機所劉玉麗等［92］基于純轉動拉曼激光雷達對大氣溫度進行高精度的探測；保加利亞學者ARSHINOV 等［100］和VAUGHAN 等［101］也利用拉曼激光雷達對大氣溫度進行探測。

3 結束語

大氣探測激光雷達在大氣探測和環境監測方面有著十分顯著的作用。本文介紹了多波長多功能大氣探測激光雷達的數據應用，可用來獲取大氣氣溶膠和云的光學和物理特性。如氣溶膠消光系數、后向散射系數和光學厚度等光學特性，還有氣溶膠色比、退偏比、粒徑譜分布和復折射指數等微物理特性。此外，還可以探測大氣邊界垂直結構、大氣濕度和溫度廓線等參數。隨著硬件技術的發展，激光雷達技術日新月異，各類新型激光雷達在全球范圍內得到了廣泛的應用。全球已經組建了許多地基激光雷達觀測網絡，而且世界上的航空大國都在積極進行星載激光雷達計劃。利用地基網絡和衛星平臺的空間覆蓋大的特點，極大提升了垂直探測的能力，得到大氣資料的三維信息。但是在多波長多功能激光雷達數據處理算法上，還需要進一步挖掘。要充分地使用多個波段的回波信息和新的數學物理算法來反演更多的大氣參數，為污染物傳輸、氣候模式和數據同化等研究提供更可靠的數據支持。