激光雷達探測河北望都氣溶膠*

趙一鳴，潘 超，王麗東，張玉石

（北京遙測技術研究所 北京 100076）

引言

大氣氣溶膠是指固體或液體微粒在大氣中形成的相對穩(wěn)定的懸浮體系。習慣上，大氣氣溶膠不包括云霧及降水粒子。通常氣溶膠在大氣中的含量變化很大，雖然粒子數(shù)含量很低，卻扮演著十分重要的角色，對大氣環(huán)境、氣候輻射和光在大氣中的傳輸?shù)扔兄匾挠绊憽Ｒ虼?，對氣溶膠散射和吸收特性、轉化特性及其時空分布的測量與研究已經成為氣候、環(huán)境和大氣研究的共同問題［1］。

激光雷達是一種主動遙感設備，由于激光具有高準直、高單色性、高亮度等特征，因而激光雷達對大氣的探測具備很多獨特的優(yōu)點。相比無線電雷達和微波雷達，激光雷達的波長較短，容易和大氣中的分子、氣溶膠以及云霧發(fā)生相互作用，因此適合用于探測大氣成分的光學及物理學參數(shù)［2］。

傳統(tǒng)的米散射激光雷達反演氣溶膠的光學性質，需先假定激光雷達比的值，然而激光雷達比取決于氣溶膠的組分、氣溶膠顆粒的大小以及大氣折射率等氣溶膠的理化特性，并且該參數(shù)是隨著時間和空間變化的。利用多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達探測氣溶膠的光學特性，避開了對激光雷達比的假設而使用拉曼散射通道的數(shù)據(jù)，因此它在氣溶膠光學性質反演準確度方面具備一定的優(yōu)勢。本文介紹一臺多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達，并對河北省望都縣交通局綠化基地的觀測數(shù)據(jù)進行分析和討論，探測和反演了氣溶膠的消光系數(shù)、后向散射系數(shù)和激光雷達比以及PM2.5質量濃度的垂直分布。該觀測試驗可對河北望都大氣環(huán)境進行高度分布監(jiān)測，能夠擴展對大氣氣溶膠的監(jiān)測范圍，可以有效地對大氣氣溶膠層、云層的物理性質進行探測，有助于研究氣溶膠、云對氣候變化和對天氣演變的影響。

1 多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達系統(tǒng)結構

多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達AMPLE（Atmosphere Multiwave raman Polarization Lidar Equipment）結構示意圖如圖1所示。它主要由激光發(fā)射子系統(tǒng)、激光器電源及控制子系統(tǒng)、望遠鏡接收子系統(tǒng)、光學處理子系統(tǒng)、系統(tǒng)控制及信號處理子系統(tǒng)五部分組成。其中，激光發(fā)射子系統(tǒng)輸出355nm、532nm和1064nm三波長激光；光學處理子系統(tǒng)對望遠鏡接收的光信號進行光處理并轉化為電信號；系統(tǒng)控制及信號處理子系統(tǒng)完成后續(xù)處理。

圖1 多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達系統(tǒng)組成Fig.1 Schematic diagram of AMPLE

北京遙測技術研究所自行研制的多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達實物照片如圖2所示。其主要技術參數(shù)見表1。

圖2 多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達實物照片F(xiàn)ig.2 AMPLE manufactured by Beijing Research Institute of Telemetry

表1 多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達的技術指標Table1 Specifications of AMPLE

2 多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達數(shù)據(jù)反演方法

多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達接收通道中心波長分別為532nmP、532nmS、355nmP、355nmS、386nm、407nm、607nm和1064nm，其中532nmP、532nmS、355nmP、355nmS分別為 532nm和 355nm偏振探測通道（P代表平行偏振，S代表垂直偏振），386nm、407nm分別對應發(fā)射波長355nm信號的氮氣分子和水汽分子拉曼散射回波波段，607nm對應發(fā)射波長532nm信號的氮氣分子拉曼散射回波波段。激光發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)射的激光脈沖受到大氣中的分子、氣溶膠粒子、云霧、水汽分子的彈性散射、拉曼散射等作用；望遠鏡接收到這些后向散射回波信號后，分光系統(tǒng)對其進行處理，并使用光電倍增管將光信號轉換為電信號，再用光子計數(shù)采集板卡記錄下不同接收通道的回波光子數(shù)。

平行偏振通道和垂直偏振通道的彈性散射激光雷達方程［3］可表示為

拉曼散射的激光雷達方程可表示為

其中，P‖（z）、P⊥（z）和PR（z）分別為平行偏振通道、垂直偏振通道和拉曼通道的回波功率；C‖、C⊥和CR分別為平行偏振通道、垂直偏振通道和拉曼通道的激光雷達系統(tǒng)常數(shù)；分別為氣溶膠和分子的平行后向散射系數(shù)；分別為氣溶膠和分子的垂直后向散射系數(shù)；βR（λ0，z）為氮氣分子的拉曼后向散射系數(shù)；α（z）為大氣分子和大氣氣溶膠等總的消光系數(shù)；λ0、λR分別為激光發(fā)射波長和拉曼散射波長；z為探測距離。

2.1 消光系數(shù)

多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達可接收氮氣的拉曼后向散射回波信號，由式（3）可得氣溶膠對激光發(fā)射波長λ0的消光系數(shù)［4］

式中，NR（z）為氮氣分子粒子數(shù)濃度，可由標準大氣模型或者探空儀得到；αmol（λ0，z）、αmol（λR，z）分別是大氣分子對激光發(fā)射波長λ0、氮氣產生拉曼散射后的波長λR的消光系數(shù)，可由瑞利散射模型得到；k為大氣渾濁度系數(shù)，是波長1μm處大氣氣溶膠光學厚度，其取值由氣溶膠粒子的類型決定，對于直徑與波長可比擬的氣溶膠和水滴粒子，通常取k=1，對于直徑大于激光波長的冰粒子，通常取k=0。

2.2 后向散射系數(shù)

多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達結合平行通道和垂直通道的米散射回波信號，利用Fernald/Klett方法得到氣溶膠的后向散射系數(shù)［5］

式中，P（z）為激光雷達接收的回波功率；βm（z）為大氣分子的后向散射系數(shù)；z0為參考點，z0選擇在氣溶膠含量很低，基本上只有大氣分子的高度處，β（z0）為參考點處大氣分子和大氣氣溶膠總的后向散射系數(shù)；Sa、Sm分別為氣溶膠和分子的消光后向散射比，分子的消光后向散射比Sm通常為8π/3Sr，氣溶膠的消光后向散射比Sa依賴于入射光波長、氣溶膠尺度譜分布和折射性質，其取值范圍一般在15Sr到100Sr之間變化。

聯(lián)立彈性散射和拉曼散射激光雷達方程（Raman方法），也可得到氣溶膠對激光發(fā)射波長λ0的后向散射系數(shù)［6］

式（6）中，Pλ0（z）為米后向散射回波信號，PλR（z）為拉曼后向散射回波信號，βmol（λ0，z）為波長為λ0時大氣分子的后向散射系數(shù)。

2.3 激光雷達比

由2.1節(jié)和2.2節(jié)可知，利用假設的激光雷達比，由Fernald/Klett方法可獲得氣溶膠的后向散射系數(shù)，而由Raman方法獲得氣溶膠的消光系數(shù)和后向散射系數(shù)，無需激光雷達比信息。于是，由Raman方法可進一步獲得激光雷達比

式（7）中，Sa（λ0，z）為氣溶膠的激光雷達比。

2.4 退偏比

多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達具備355nm和532nm的偏振通道，通過測量得到的偏振信號可直接求取退偏比δ。

3 河北望都氣溶膠觀測

2014年6月到7月筆者在河北省望都縣開展了多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達觀測試驗。圖3（a）～（e）給出了7月5日晚上20時到22時多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達5個彈性散射接收通道的距離修正回波信號時空演化圖。從圖3可以看出，觀測時間段內大氣邊界層內的氣溶膠狀態(tài)比較穩(wěn)定，觀測地點9km～11km的高空在21點之后出現(xiàn)了一層云層。

圖3 2014年7月5日20時到22時距離修正信號時空演化圖Fig.3 Range corrected signal evolution figure from 20:00 to 22:00 on July 5，2014

圖4給出了圖3時間段內的355nm退偏比和532nm退偏比時空演化圖。從圖4可以看出，觀測時間段內大氣邊界層內的氣溶膠退偏比小于0.1。退偏比反映了氣溶膠粒子的形狀，退偏比越小說明粒子形狀越規(guī)則。

圖4 2014年7月5日20時到22時355nm、532nm退偏比時空演化圖Fig.4 355nm and 532nm depolarization ratio evolution figure from 20:00 to 22:00 on July 5，2014

多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達為雙軸激光雷達系統(tǒng)，激光束的發(fā)射視場與接收視場之間由完全分離逐漸過渡到完全重合。這樣的光學系統(tǒng)結構決定了在一定范圍內的回波信號只能部分地被望遠鏡所接收，甚至有些區(qū)域的回波信號無法接收。因此在對接收信號進行處理時，必須對激光雷達方程進行修正，即引入系統(tǒng)幾何重疊因子Y（r）（即overlap），且滿足0≤Y（r）≤1。由2.2節(jié)可知，僅由彈性散射回波信號利用Fernald/Klett方法反演的后向散射系數(shù)會受到系統(tǒng)overlap的影響，而聯(lián)立彈性散射和拉曼散射激光雷達方程反演的后向散射系數(shù)不受系統(tǒng)overlap的影響，因此由上述兩種方法反演的后向散射系數(shù)可計算出系統(tǒng)的overlap。多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達355nm波段和532nm波段具備拉曼散射回波通道，圖5（a）和圖5（b）分別給出了355nm和532nm通道的系統(tǒng)overlap。

圖5 355nm通道與532nm通道系統(tǒng)重疊因子Fig.5 355nm and 532nm channels overlap

參考文獻［7］中的計算方法得到7月5日21時到21時59分累積1小時的355nm和532nm后向散射系數(shù)、消光系數(shù)及激光雷達比垂直分布廓線，分別示于圖6和圖7。其中后向散射系數(shù)給出了2.2節(jié)中兩種方法計算的結果，F(xiàn)ernald/Klett方法反演的后向散射系數(shù)是利用圖5給出的系統(tǒng)overlap校正后計算得出的，且Fernald/Klett方法反演后向散射系數(shù)需假設激光雷達比值，其激光雷達比由Raman方法計算得到。從圖6和圖7可以看出，近地面氣溶膠層集中在3km以下。圖6中Raman方法計算的355nm激光雷達比基本在50Sr左右，圖6中兩種方法計算的355nm后向散射系數(shù)一致性很好。圖7中Raman方法計算的532nm激光雷達比在1km～1.5km處在40Sr到60Sr之間變化，所以圖7中兩種方法計算的后向散射系數(shù)一致性在1km～1.5km處不及圖6。因此通過Raman方法定量探測反演激光雷達比是非常重要的。

圖6 2014年7月5日21時到21時59分355nm后向散射系數(shù)、消光系數(shù)和激光雷達比廓線圖Fig.6 355nm backscatter coefficient，extinction coefficient and lidar ratio profile figures from 21:00 to 21:59 on July 5，2014

圖7 2014年7月5日21時到21時59分532nm后向散射系數(shù)、消光系數(shù)和激光雷達比廓線圖Fig.7 532nm backscatter coefficient，extinction coefficient and lidar ratio profile figures from 21:00 to 21:59 on July 5，2014

根據(jù)后向散射系數(shù)和消光系數(shù)，利用米散射的數(shù)學物理模型，可科學推演得到大氣顆粒物微物理特性［8］，圖8給出了2014年7月5日20時到22時10分鐘分辨率的PM2.5質量濃度時空變化情況。

4 結束語

激光雷達在探測大氣顆粒物方面具有很高的時間和空間分辨率，是其他傳統(tǒng)探測手段無法比擬的。本文利用北京遙測技術研究所自主研制的多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達探測反演了河北望都的氣溶膠光學特性和微物理特性的垂直分布，設備性能穩(wěn)定，結果優(yōu)異。該激光雷達可同時實現(xiàn)355nm、532nm的偏振探測，355nm的N2和H2O的定量探測，532nm的N2探測，以及1064nm的探測，定量獲得氣溶膠的消光系數(shù)、后向散射系數(shù)和激光雷達比，實現(xiàn)對大氣氣溶膠顆粒物空間分布及沉降時空演變的實時監(jiān)測，獲取大氣氣溶膠顆粒物的模態(tài)、粒譜特征等重要參數(shù)，支持氣溶膠、云對氣候變化和對天氣演變影響的研究，并可與其他觀測儀器的數(shù)據(jù)融合應用，提供更加豐富、更為準確的氣候、氣象、環(huán)境等綜合探測信息。

圖8 2014年7月5日20時到22時PM2.5質量濃度時空變化Fig.8 PM2.5 mass concentration evolution figure from 20:00 to 22:00 on July 5，2014

筆者于2014年9月發(fā)表在《遙測遙控》第35卷第5期的文章《激光雷達的應用及發(fā)展趨勢》中，第2.3節(jié)軍事應用中引用了計春明在《艦船光學》中發(fā)表的《國外激光雷達發(fā)展動向與分析》中的有關內容；第3節(jié)激光雷達的發(fā)展趨勢中部分引用了王建宇與洪光烈在《激光與紅外》中發(fā)表的《激光主動遙感技術與應用》（第742～748頁）中的有關內容；第4節(jié)啟示與建議中部分引用了王海霞、楊帆與韓淋發(fā)表的《激光雷達技術研究與應用國際發(fā)展態(tài)勢分析》中的有關內容。由于筆者的疏忽，在原文的參考文獻中未進行相應標注。深表歉意!

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