氣溶膠激光在大氣環境監測中的應用研究

沈陽綠恒環境咨詢有限公司 魏驥

隨著我國政府對生態環境重視程度的加強,我國大多數地區的大氣環境質量也已得到了明顯的改善,細微顆粒（PM2.5）在空氣中的含量也呈現出衰減的趨勢。根據我國相關部門發布的報告分析,直至2021年年底,我國城市的細微顆粒年均含量已衰減至每立方米三十六微克，但是從局部情況看來,我國僅有半數的城市的空氣質量達到合格標準[1]。我國東北地區的多數城市細微顆粒物污染情況仍然非常嚴峻。由此得知,在今后一定時期內空氣細微顆粒的防治仍是我國大氣污染防治的重點。

傳統的自動檢測設備，可以對空氣中的細微顆粒含量進行較為準確的探測，但是傳統的自動檢測設備在對高空中的細微顆粒含量進行探測時便存在明顯的不足。因此將新型技術應用到高空細微顆粒檢測過程當中非常重要，而激光雷達技術的發展在一定程度上解決了此類問題，激光雷達技術可以很好地對高空空氣含量進行精確的監測，因此激光雷達技術已經廣泛地應用到了大氣環境監測領域[2]。氣溶膠激光雷達可通過垂直掃描獲取近地面至對流層的氣溶膠消光垂直廓線,并根據接收到的信號信息進行反演,以此確定當地的大氣環境質量以及空氣中各種粒子的含量,并對這些粒子進行相關的分析,從而為我國大氣環境治理提供相應的幫助[3]。

一、激光雷達技術概況

（一）激光雷達組成原理

激光雷達，是近代激光技術得到快速發展后的產物,將先進的激光技術與當前的雷達技術進行結合,從而可以把二個技術的優點完美的融合到了一起,并以此提升雷達技術的準確度[4]。激光雷達在完成距離和位移檢測任務時,主要利用的原理是由激光的波形反射速度來實現的,通過激光波形的反射速度和位移來對目標物體的位移速度和距離做出識別。但現階段,激光雷達技術在測量領域具有非常大的優勢。

（二）激光雷達的基本特征

激光雷達系統主要的工作波段為紅外線和可見光。激光雷達利用激光器可以很好地實現脈沖的光電轉換,并在最后將其轉換為電脈沖波,光電脈沖波的轉換是激光雷達最大的優點。在經過此過程之后,激光雷達的測量精確度會得到顯著的提高。我們根據激光雷達的工作過程可以發現,激光雷達是基于傳統雷達之上的一種新型的雷達技術,并且其相對于傳統的雷達而言,具有更高的精確度[5]。相較于傳統的測量技術,激光雷達在進行測量時可以更好地反應目標的距離、位置與角度,這些信息的準確性對于最終的測量結果有著非常大影響,因此激光雷達技術擁有著更高的準確性。近些年,隨著相關科研人員對激光雷達研究的不斷深入,激光雷達的種類也越來越多,激光雷達的多樣性也使得激光雷達的應用領域越來越廣泛。

（三）激光雷達的類型

激光雷達，可以根據其應用領域的不同以及其組成結構的不同分為多種類型。根據雷達發射器所使用的發射物質類型可以將其分為氣體、半導體、固體激光雷達[6]。較為常見的氣體激光雷達為二氧化碳激光雷達,這種雷達的發射原料較為常見,并且其發射的波段為紅外線波段,與此同時二氧化碳激光雷達的探測間距較遠，非常適合將其運用到大氣環境監測當中。半導體激光雷達一般會運用到云層的監測當中,因此多數的半導體激光雷達的尺寸都比較小,并且其價格也非常的實惠,氣溶膠激光雷達則是半導體激光雷達中的一種,氣溶膠激光雷達可以對特定區域內的空氣含量已經空氣中的氣溶膠信息進行分析,從而推測當地的空氣質量。固體激光雷達主要應用在大氣污染物監測和風速、溫度、濕度等監測當中。

二、激光雷達技術的發展

（一）激光雷達技術的發展

激光雷達技術是在20世紀60年代才出現的,因此激光雷達技術的發展歷程只有六十年的時間,在這六十年間,激光雷達技術由出現到現在的取得較高的成就,可在多個領域中被廣泛應用,其整個發展歷程是非常艱難的。第一臺激光雷達是由美國的一家公司研制的,具體用于靶場測試,緊接著比較著名的是用于人造衛星的測距機,隨后又將目光放到新型的激光雷達研發當中。在此期間,該公司不僅在進行二氧化碳激光雷達的研發,還對單脈沖激光雷達的制作理論進行了相關的實踐。在激光雷達出現至今的六十多年時間內,激光雷達的類型越來越多,同時可以應用的領域也越來越廣泛,但是直到1994年LITE的出現,激光雷達才開始應用到大氣環境監測領域上。

目前已知的經常用于大氣監測的雷達分為固定式激光雷達和可移動式激光雷達。在我國可移動式激光雷達，多數是由特定車輛進行裝載從而達到雷達可移動的目的。而在一些發達國家中,固定式激光雷達已經逐漸被淘汰，這些國家已全面采用可移動式激光雷達來進行大氣環境監測工作。截止到今天為止,我國在大氣環境監測方面對激光雷達技術的研究也有三十年之久,在這三十年的時間內,我國的激光雷達技術也同樣取得了非常大的進展。我國中科院在該方面的研究成果尤其突出,多數的研究結果都得到了國際各國研究人員的認可,并且中科院也成功研制出了我國第一臺激光雷達。隨后中科院又研制出多個領域的激光雷達,其中UV-DIAL差分激光雷達是我國的第一臺用于觀測平流大氣層與臭氧層的系統。

（二）大氣環境激光雷達的發展

在1991年我國中科院的安徽光機所成功建造了L625激光雷達系統,該系統是我國最大的可以觀測大氣氣溶膠以及臭氧分布的激光雷達系統。此系統的出現為我國的激光雷達系統的研究提供了更多的可能,同時L625激光雷達系列也獲得了國內相關企業的青睞,并將其運用于越來越廣闊的應用領域。不久以后,該研究院又成功建立了L三百型可移動式激光雷達系統,這也是中國首個具有在對流層進行氣溶膠系數、云、大氣辨識度研究能力的散輻激光雷達體系。YAG激光雷達等等新的研究成果,對中國的大氣環境激光雷達的監測研究邁出了一大步,并立足于國際領域中,已得到了世界高度的關注。

三、氣溶膠激光雷達在大氣環境監測中的應用

在對大氣環境進行監測分析的過程中,氣溶膠激光雷達具有其他激光雷達所不能比擬的優勢。根據我國當前的研究形式,氣溶膠激光雷達不僅可以對氣溶膠邊界和分布進行測量研究,還可以對溫度、大氣可見度等進行相關的測量與研究。

（一）探測氣溶膠以及邊界層

氣溶膠可以對太陽輻射進行很好地吸收與反彈,這會對全球的氣候造成非常大的影響。氣溶膠邊界層主要是指大氣層的邊界。當前我國的大氣環境監測工作已能實現氣溶膠和邊界層的監測與分析,從而完成對全球氣候變化的準確預測。從激光雷達的運行原理表明,激光雷達在進行工作時會發射相應的激光信號,而這些激光信號在觸碰到邊界層的物質時就會產生反射,而接收器在接收到這些反射信號之后就會對其進行相關的分析,根據分析結果便可以對空氣中的微觀粒子的擴散信息以及傳輸模式進行預測,從而對特定區域的大氣環境質量作出判斷。近些年,世界各國都出現了嚴重的大氣環境問題,頻繁的大氣環境問題使得各國的研究人員不得不加強對大氣環境的監測,這也讓激光雷達在大氣環境中的應用越來越深入,在具體的大氣環境監測過程中,氣溶膠激光雷達可以對大氣中的氣溶膠、黃沙、霧霾等內容進行非常準確的測量,這些測量信息，對預防大氣災害有著非常重要的作用。在我國的一些地區,相關大氣監測部門就該情況已經建立了較為完善的雷達監測網絡,雷達監測網絡可以對當地的氣溶膠以及邊界層進行全方位的實時監測,有效地提高了我國大氣環境監測的效果。

（二）探測溫度

溫度作為大氣質量的一個重要指標,對其進行探測對于我國大氣環境的監測與氣象災害的預測有著非常重要的作用。因此當前世界各地對于大氣溫度的探測都非常重視,而溫度情況也已經成為了氣象預告中不可缺少的環節。在對溫度進行探測時,氣溶膠激光雷達的應用，為我國的溫度探測功能提供了非常大的便利性,并且氣溶膠激光雷達的應用還顯著地提高了我國大氣溫度探測的準確性。在利用氣溶膠激光雷達進行溫度探測時,瑞利散射是最為常見的溫度探測方式。瑞利散射,氣溶膠激光雷達通過利用全反射鏡講激光筆直的射入空氣當中,通過空氣中氣溶膠的變化情況來對空氣溫度進行測量。但是瑞利散射在低空中的測量精確度還有待提升,因為低空中空氣中所蘊含的氣溶膠含量較高,而較高的氣溶膠含量會在一定程度上影響到大氣溫度的探測。

（三）探測大氣可見度

大氣能見度探測，也是氣溶膠激光雷達在大氣環境監測中的主要功能之一。在具體的探測過程中,氣溶膠激光雷達有著非常顯著的優勢。激光雷達作為近年來才出現的大氣探測手段,其利用激光的反射與雷達的捕捉能力可以更好地將大氣具體環境進行有效的分析,從而根據分析結果來對大氣可見度進行準確的判定。較為精準的大氣可見度分析對于人們日常的出行是非常有利的。大氣可見度是大氣透明度的反應,因此大氣可見度會在一定程度受到天氣情況的影響,而傳統的大氣可見度探測方式也會在一定程度上受到天氣的影響。因此在對大氣可見度進行探測時,利用激光雷達技術，可以極大地降低天氣變化對探測精確度產生的影響,從而可有效地提高探測精度。

（四）探測風廓線

相關工作人員在進行與風相關的探測時,主要探測的內容是風速以及風向,但是在對風速和風向進行相關探測時,并不能取得較為明顯的成果。而在將激光雷達技術應用到該領域之后,在對當地風速、風向和風力進行相關探測時便可以進行更加全面且嚴密的研究。傳統的風向、風速探測工作極易受到空氣湍流的影響,如若探測地區出現空氣湍流,風速、風向的探測結果就會出現嚴重的偏差,這不僅會對當地居民的日常出行產生影響,還會在一定程度上影響到當地各種工作的開展與進行,進而影響到我國的國民經濟發展。將全新的氣溶膠激光雷達技術應用到風廓線探測過程當中,就會在很大程度上解決此問題,同時在最大程度上減少空氣湍流產生的影響,從而得出更加準確的風速、風向探測結果。在具體的探測過程當中,不同天氣情況產生的空氣湍流會對雷達波的頻率產生不同的影響,受到風速、風力等因素的影響,風廓線也會產生一定的變化。此時就需要利用激光雷達的特性來避免這些因素的影響。在遇到空氣湍流時,激光雷達可以實現不同高度的空氣湍流測量,相關部門可以通過對這些不同的測量信息進行分析,從而得出更加準確的測量結果。在我國的北方地區,由于天氣環境變化較為復雜,傳統的大氣測量模式無法對當地的大氣情況進行較為準確的實時測量,而利用激光雷達技術對當地的風廓線進行探測之后便可以有效地對當地的天氣變化情況進行預測?？筛鶕煌奶鞖獠扇〔煌拇胧?從而有效地提高大氣環境監測的質量與實效性。

四、激光雷達在大氣環境監測中的存在的問題及改進措施

（一）激光雷達在大氣環境監測中存在的問題

激光雷達技術作為近些年，出現的新型大氣環境監測技術,其本質上還屬于一種遙感工具,但與傳統的遙感工具不同的是,激光雷達在探測跨度、空間辨識度已經測量精度方面都有著屬于其自身的優勢這些優勢讓激光雷達技術得以在不同的領域中都發揮著非常大的作用。但是在將激光雷達技術應用到具體的監測工作中后我們得知,激光雷達技術也還存在著一定的問題。最主要的問題是無論是哪種類型的激光雷達,在進行大氣環境監測時都需要發射激光,而激光在傳播的過程中會受到不同因素的影響,因此激光雷達的探測精確度并無法達到理論精度。另外,如果探測地區出現較為極端的天氣情況之后,激光雷達在進行實地作業時的難度也會有所增加,這也在一定程度上限制了激光雷達技術在大氣環境測量過程中的應用。

（二）激光雷達在大氣環境監測中的應用改進

針對激光雷達在大氣環境監測中存在的問題,我們需要從三個方面入手來對其進行具體的應用改進。一是需要對激光雷達的各項組成部分進行相應的升級創新,對激光雷達進行更加全面的升級,并以此提高激光雷達的應用范圍。二是對激光雷達的各項功能進行更加有效的開發,提高激光雷達的各項探測能力,加強其對不同工作環境的適應能力。三是建設更大面積的激光雷達網絡,其降低單個激光雷達的探測范圍,提高激光雷達的探測精度,從而滿足不同的大氣環境監測要求。

五、總結

自激光雷達技術出現以來,其在大氣環境監領域發揮的作用越來越大,雖然現階段的激光雷達技術，已經可以基本滿足不同的大氣環境監測要求。但隨著各國對大氣環境監測要求的不斷提高,激光雷達監測技術也需要進行相應的創新升級，來進一步提高大氣環境監測的精確度以及適應性。在確保大氣環境監測精確度的同時，也要提高激光雷達的使用效率以及氣象預測能力,以便為大氣污染防治提供更加準確的科技支撐。