激光雷達(dá)測(cè)量大氣氣溶膠的數(shù)據(jù)處理研究

趙云珊 陳鵬舉 楊 昭 李 強(qiáng)

（連云港師范高等?？茖W(xué)校物理與電子工程系 江蘇 連云港 222006）

0 引言

氣溶膠粒子是指懸浮在大氣中的直徑為0.001-10μm的固體或液體粒子，其質(zhì)量?jī)H占整個(gè)大氣質(zhì)量的十億分之一，但卻對(duì)大氣中的氣候變化、云量及云的壽命、光學(xué)特性的改變等有著十分重要的影響，通過(guò)氣溶膠表面的化學(xué)反應(yīng)能影響大氣的組成成份，進(jìn)而影響全球的氣候環(huán)境。由于目前缺乏全球范圍內(nèi)空間和時(shí)間分布資料，大氣氣溶膠和云的具體作用機(jī)制還存在很多不確定性，這大大限制了人類對(duì)氣候系統(tǒng)及全球氣候變化趨勢(shì)的認(rèn)識(shí)。

激光雷達(dá)是一種主動(dòng)式光學(xué)遙感設(shè)備，它以激光為光源，通過(guò)探測(cè)激光與大氣相互作用的輻射信號(hào)來(lái)遙感大氣。由于使用探測(cè)束的波長(zhǎng)較短且定向性強(qiáng)，激光雷達(dá)具有很高的空間、時(shí)間分辨能力及探測(cè)靈敏度，目前已經(jīng)成為探測(cè)大氣氣溶膠物理-光學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要手段。通過(guò)激光光波與大氣的相互作用，會(huì)產(chǎn)生包含氣體原子、分子、大氣氣溶膠粒子和云等有關(guān)信息的輻射信號(hào)，利用相應(yīng)的反演方法則可以獲得氣體原子、分子、大氣氣溶膠粒子和云等大氣成份的信息。

1 激光雷達(dá)系統(tǒng)

表1 激光雷達(dá)系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Parameters of mie-scattering lidar system

本系統(tǒng)激光發(fā)射與接收單元不同軸，導(dǎo)致在一定范圍內(nèi)發(fā)射激光束只能逐漸進(jìn)入接收望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)，因此接收信號(hào)強(qiáng)度必須受系統(tǒng)重疊因子 Y（r）的修正[3]。

根據(jù)激光雷達(dá)方程，接收的信號(hào)光子數(shù)為[4]

其中，η是探測(cè)器量子效率；λ是激光波長(zhǎng)（nm)；E0是激光發(fā)射脈沖能量(J)；h是普朗克常數(shù)；c是光速（m/s）；Ar是望遠(yuǎn)鏡有效接收面積（m2）；Y（r）是重疊因子；Tsys是系統(tǒng)光學(xué)總透過(guò)率；Δr是激光雷達(dá)距離分辨率(m)；βb（r）是距離 處大氣后向散射系數(shù)(km-1Sr-1)；σr是距離 r處的大氣消光系數(shù)(km-1)。對(duì)于確定的激光雷達(dá)系統(tǒng)及其參數(shù)，在水平激光發(fā)射和均勻大氣情況下，（1）式可以簡(jiǎn)化為

一般遠(yuǎn)場(chǎng)激光束波面為高斯分布。根據(jù)表1中的參數(shù)可得出接收相對(duì)光子數(shù)的分布曲線。但是，經(jīng)過(guò)40倍率擴(kuò)束鏡的出射光束發(fā)散角不一定壓縮了40倍，需要調(diào)整擴(kuò)束鏡筒長(zhǎng)才能達(dá)到最佳效果。過(guò)大的發(fā)散角會(huì)對(duì)Y（r）及相對(duì)接收光子數(shù)的分布產(chǎn)生影響，如圖2和3所示。圖中可以看出，隨著發(fā)散角的增大，重疊因子及接收相對(duì)光子數(shù)分布形狀變化也較大。當(dāng)擴(kuò)束倍率為10時(shí)，其相對(duì)誤差達(dá)到60%以上。

圖2 不同擴(kuò)束倍率下的重疊因子

2 數(shù)據(jù)處理方法

在過(guò)去的幾十年，已經(jīng)出現(xiàn)了多種利用激光雷達(dá)回波信號(hào)反演粒子消光系數(shù)和后向散射系數(shù)的方法。常用的方法主要包括斜率法，Klett方法[5]，F(xiàn)ernald 方法[6]，以及線性迭代方法[7]等。

2.1 斜率法

由激光雷達(dá)方程可得：

假設(shè)某個(gè)區(qū)域內(nèi)（rtop＞r＞rbottom）大氣均勻分布，即后向散射系數(shù)和消光均為常數(shù)，對(duì)(3)式兩邊取對(duì)數(shù)，則激光雷達(dá)方程變?yōu)榫€性回歸方程，假定從上到下對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分：

甲狀腺乳頭狀癌為發(fā)病率較高的內(nèi)分泌系統(tǒng)惡性腫瘤，分化好，惡性程度較低。其發(fā)病與性別、年齡、碘的攝入等多因素有顯著的相關(guān)性[13-15]。隨著對(duì)其研究的不斷推進(jìn)，我國(guó)甲狀腺癌的診治逐漸規(guī)范，甲狀腺癌診斷方法由單純使用超聲發(fā)展為影像定位-細(xì)胞病理-分子靶標(biāo)多層次早期診斷體系，診斷過(guò)程較為系統(tǒng)，具有科學(xué)性[16]。TPC惡性程度較低，主要治療方案以外科手術(shù)為主。孟曉敏等對(duì)甲狀腺乳頭狀癌原發(fā)灶外科治療進(jìn)行meta分析得出：TPC原發(fā)灶外科治療術(shù)后生存率較為可觀，且甲狀腺部分切除術(shù)損傷喉返神經(jīng)或甲狀旁腺發(fā)生率較低[17]。

2.2 Klett方法

斜率法僅僅適合于均勻大氣的探測(cè)。對(duì)于非均勻大氣，σ(r),β(r)不再為定值，斜率法將不再適用。

Klett假定 σ(r),β(r)存在下述關(guān)系：

對(duì)(4)式進(jìn)行距離微分，結(jié)合(5)式得：

上式為一階伯努利方程。 假設(shè) X(r)＝ln（β′（r）），則由(6)式得：

由于(7)式分母中的兩項(xiàng)之差可以很小甚至為零，故其解很不穩(wěn)定，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重發(fā)散的結(jié)果。假定j為1，Klett提出了更加穩(wěn)定的解的形式：

式(7)為前向積分式，σ(r0)為其邊界條件，式(8)為后向積分式，σ（rM）為其邊界條件。利用(7)、(8)可以求得不同高度處的大氣消光系數(shù)。邊界條件σ(r0)和σ（rM）可以假設(shè)某一小段范圍內(nèi)大氣均勻利用斜率法計(jì)算得到。

2.3 Fernald 方法

當(dāng)激光在大氣中傳播時(shí)，要受到大氣分子和氣溶膠粒子（云粒子）兩部分同時(shí)作用。因此激光雷達(dá)方程中σ(r),β(r)實(shí)際上包括兩部分，即分子貢獻(xiàn)部分和氣溶膠（云）貢獻(xiàn)部分，故有：

對(duì)于校準(zhǔn)的激光雷達(dá)方程，得到的前向反演解為：

后向反演解為：

其中，Sm為大氣分子的后向散射比，而Sp為粒子的后向散射比，

其中，rc為參考高度，在此高度上氣溶膠散射足夠小可以忽略?？赏ㄟ^(guò)選取近乎不含氣溶膠的清潔大氣層所在的高度來(lái)確定。

斜率法和Klett方法獲得的是包含大氣分子和大氣氣溶膠粒子或云粒子的大氣總消光系數(shù)，而Fernald方法將大氣分子與大氣氣溶膠或云的消光系數(shù)分開(kāi)考慮來(lái)求解激光雷達(dá)方程，是激光雷達(dá)方程各種反演方法具有代表性也是最常用的一種方法。

2.4 線性迭代法

線性迭代方法考慮了大氣分子和大氣氣溶膠粒子或云粒子兩種大氣成份，同時(shí)可以對(duì)后向散射比進(jìn)行調(diào)整。該方法將大氣（云/氣溶膠）分為等厚的N份，垂直厚度為Δr＝(rt-rb)/N，距離l從1→N。具體迭代公式如下：

迭代過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，直到β值收斂于一點(diǎn)，迭代過(guò)程結(jié)束。

3 對(duì)流層云和氣溶膠后向散射系數(shù)反演

本實(shí)驗(yàn)中主要利用Fernald方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和后向散射系數(shù)的反演工作。下圖給出了激光雷達(dá)系統(tǒng)在2011年11月12日測(cè)量得到的衰減的后向散射系數(shù)進(jìn)行20km水平平均獲得的廓線，其中2-4km范圍內(nèi)存在一層氣溶膠層，其后向散射系數(shù)相對(duì)于其他高度明顯偏大。

圖3 對(duì)流層氣溶膠衰減的后向散射系數(shù)

上面僅給出了單一特征存在時(shí)其后向散射系數(shù)的反演結(jié)果，當(dāng)多種特征同時(shí)存在時(shí)，反演算法變得非常復(fù)雜，需要首先反演上層特征的后向散射系數(shù)、消光系數(shù)及其光學(xué)厚度，并對(duì)激光雷達(dá)廓線進(jìn)行修正，這樣才能夠準(zhǔn)確獲得下層特征的光學(xué)特性，這也是今后研究的重點(diǎn)工作。

［1］Yang Zhao,Li Qiang.Study about atmosphere extinction coefficient based on 1064nm Mie-scattering lidar[J].Chinese J.Laser Technology,2006，30（2）：170-173.（in Chinese）.

［2］American National Standards Institute,“American national standard for the safe use of lasers”[J].ANSI Z136.1-1986,pp.1-96,1986.

［3］Zhong Zhiqing,Zhou Jun.Calculation of detect signal on micropulse lidar[J].Chinese J.Quantum Electron,2003，20（5）：618-622.（in Chinese）.

［4］Yang Chunhu,Sun Dongsong,Li Hongjing.Photon counting applied to imaging lidar[J].Chinese J.Infrared and Laser Engineering.2005，34（5）：517-520（in Chinese）.

［5］J.D.Klett.Stable Analytical Inversion Solution for Processing Lidar Returns,Appl[J].Opt.,1981,Vol.20:211-220.

［6］F.G.Fernald.Analysis of atmospheric lidar observations:some comments,Appl[J].Opt.,1984,Vol.23:652-653.

［7］C.M.R.Platt,S.A.Young,P.J.Manson et al.The Optical Properties of Equatorial Cirrus from Observations in the ARM Pilot Radiation Observation Experiment,J.[J].Atmos.Sci.,1998,Vol.55:1977-1996.