簡析偏振米散射微脈沖激光雷達的原理與應(yīng)用

谷金峰

摘要：隨著人類活動和工業(yè)排放的增加，氣溶膠數(shù)量在不斷增加。研究氣溶膠與云形成和發(fā)展的關(guān)系、交互模式，特別是垂直分布關(guān)系、間接效應(yīng)、輻射關(guān)系等，對大氣降水、氣象預(yù)報、氣象災(zāi)害研究等有重要的科學(xué)意義，近些年來大氣氣溶膠對全球天氣和氣候的影響已經(jīng)被大量的研究，激光雷達為氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)，成分和動力探測提供了有力的工具。

Abstract： With the increase of human activities and industrial emissions， the amount of aerosol is increasing. It has important scientific significance to study the relationship between aerosol and cloud formation and development， interaction patterns， especially the vertical distribution relationship， indirect effect， radiation relationship for studying the atmospheric precipitation， weather forecasting， meteorological disasters. In recent years the impact of atmospheric aerosol on the global weather and climate has been researched. Laser radar provides a powerful tool for aerosol vertical structure， composition and dynamic detection.

關(guān)鍵詞：激光雷達；氣溶膠；光散射

Key words： laser radar；aerosol；light scattering

中圖分類號：TN958.98 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）09-0219-02

0 引言

氣溶膠在大氣中的含量雖然不很高，但卻對大氣質(zhì)量有著很大的影響。氣溶膠是懸浮在大氣中的固態(tài)粒子或液態(tài)小滴物質(zhì)的總稱，云霧、煙塵、霾、輕霧（靄）、微塵和煙霧等，都是天然或人為原因形成的大氣氣溶膠。隨著人類活動和工業(yè)排放的增加，氣溶膠數(shù)量在不斷增加。氣溶膠一般作為水滴和冰晶的凝結(jié)核、太陽輻射的吸收體和散射體，參與各種化學(xué)循環(huán)，是大氣的重要組成部分之一。研究氣溶膠與云形成和發(fā)展的關(guān)系、交互模式，特別是垂直分布關(guān)系、間接效應(yīng)、輻射關(guān)系等，對大氣降水、氣象預(yù)報、氣象災(zāi)害研究等有重要的科學(xué)意義，近些年來大氣氣溶膠對全球天氣和氣候的影響已經(jīng)被大量的研究，激光雷達為氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)，成分和動力探測提供了有力的工具。我市2010年在大氣自動監(jiān)測梯度站安裝了一臺米散射微脈沖激光雷達，來幫助研究大氣污染立體觀測。

1 激光雷達的原理

激光雷達是一種新型的高技術(shù)手段，它能夠大范圍快速監(jiān)測大氣環(huán)境。其原理是依據(jù)大氣對激光的各種物理效應(yīng)，比如消光/吸收/散射等，定量分析激光大氣回波，從而進行大氣環(huán)境探測。激光具有單色性好、高亮度、大功率、方向性高、相干性強等特點。其中高方向性、高亮度和高脈沖重復(fù)率使得激光能夠?qū)崟r的大范圍的快速監(jiān)測大氣環(huán)境；激光的短脈沖使空間分辨率可達幾米；良好的單色性使得激光具有較強的高探測靈敏度。由激光雷達的探測數(shù)據(jù)可獲得大氣邊界層的結(jié)構(gòu)和時間演變特征、大氣氣溶膠（飄塵）消光系數(shù)垂直廓線和時間演變特征、云高度及多層云結(jié)構(gòu)、大氣能見度等信息，監(jiān)控工業(yè)煙塵的排放以及研究它們的擴散規(guī)律、它對大氣環(huán)境監(jiān)測和大氣科學(xué)研究都有著重要的意義，具有其它測量手段不可替代的優(yōu)勢。

米散射偏振微脈沖激光雷達的組成部分主要包括：控制和數(shù)據(jù)處理軟件；高速多道計數(shù)器和計算機；高靈敏度光電探測器（CPM）；發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)；半導(dǎo)體激光泵浦的Nd：YAG脈沖激光器等，如圖1和圖2所示。

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它的工作原理是將小型半導(dǎo)體泵浦YAG倍頻偏振激光器工作時發(fā)出的偏振激光輸入擴束器進行擴束，擴束后向天空發(fā)射，激光被大氣中的氣溶膠所散射，氣溶膠中的球型粒子的后向散射光將不改變激光的偏振方向，而非球型粒子的后向散射光將改變激光的偏振方向而形成與原激光偏振方向垂直的分量。來自球型和非球型粒子的后向散射回波信號由接收光學(xué)望遠鏡接收并通過分光棱鏡將兩個不同偏振方向的光分開，分別傳遞到兩個探測器；光子計數(shù)卡按照光電脈沖信號從空間返回的時序做對位記數(shù)和累加處理，其結(jié)果存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲單元；對采集到的兩路信號通過軟件對采集到的信號進行計算得出回波的退偏振度，從而得出非球型粒子的空間分布廓線。（當照射光為偏振光時，非球形粒子的散射光將不再是完全偏振光，也就是退偏振。這是基于被不同形狀和性質(zhì)的粒子散射的電磁波具有不同偏振特性的原理。可以利用其散射電磁輻射的退偏振信息，探測并區(qū)分球型和非球型粒子存在的比例。偏振特性可以使用退偏比δ（Depolarization Ratio）來衡量。此外，也可以將兩組信號求合，得到總的后向散射光強度分布，因此偏振微脈沖激光雷達也可以完成一般微脈沖激光雷達的功能。大氣探測激光雷達的工作波長在0.1-10um，可與大氣中原子、分子和粒子相互作用而產(chǎn)生回波。

激光雷達方程式為：

P（z）=C·O（z）·P0·z-2·β（z）·exp[-2■α（z）dz]（1）

式中：P（z）為激光雷達接收到的回波信號功率；P0為發(fā)射激光束的功率；C為激光雷達的系統(tǒng)常數(shù)；z為探測距離；O（z）為系統(tǒng)幾何重疊因子，β（z）=βm（z）+βa（z）為大氣中某種被探測組分的總后向散射系數(shù)；α（z）=αm（z）+αa（z）為大氣總的消光系數(shù)。

常用的計算氣溶膠消光系數(shù)的方法包括斜率法，近端法、遠端法、和Fernald法。水平探測情況下，一般采取斜率法求解大氣氣溶膠水平消光系數(shù)分布。對激光雷達方程（1）作簡單變化，設(shè) S（r）=ln（r2P（r））

則雷達方程變?yōu)椋篠-S0=ln■-2■σdr'（2）

兩邊取微分，則方程變?yōu)椋骸?■■-2σ（3）

對于均勻大氣而言，dβ/dr=0，消光系數(shù)可以被表示成雷達對距離的率σhom=-■■

對非均勻大氣而言，把探測的路徑分割為許多連續(xù)的小段，并假定在每個小段距離內(nèi)大氣是相對均勻的，這樣每一段距離上連續(xù)地應(yīng)用斜率法就可以得到非均勻大氣條件下較為合理的消光系數(shù)分布結(jié)果。

消光系數(shù)與可吸入顆粒物濃度的關(guān)系可以由兩種方式求解，可以利用能見度傳感器與激光雷達加入濕度，并假設(shè)大氣均勻，可吸入微粒物質(zhì)（RSP）濃度可由下方程求求解。a，b，c是根據(jù)本地能見度和PM10數(shù)據(jù)相關(guān)性而得到的，相關(guān)性只有效至相對濕度最高92%，因此，在高的相對濕度將導(dǎo)致求可吸入微粒物質(zhì)濃度的演算增加極高的不確定性。另外霧及降水天氣也將使演算增加不確定性。

另外也可以利用消光系數(shù)σhom與ρ（PM10）存在正相關(guān)的關(guān)系，將測量點的σhom和實測ρ（PM10）進行線形擬合可以得到兩者的關(guān)系。

A，B是根據(jù)當?shù)貙崪y數(shù)據(jù)求得的。

2 激光雷達的應(yīng)用

激光雷達的應(yīng)用十分廣泛，我們在環(huán)境監(jiān)測過程中，主要應(yīng)用有大氣氣溶膠垂直分布和時間演變；非球形粒子與球形粒子的探測區(qū)分；大氣邊界層的結(jié)構(gòu)和時間演變特征；退偏比的時空變化；云頂、云底高度及多層云結(jié)構(gòu)；判定城市內(nèi)部揚塵和外來飄塵的分布狀況；城市的空氣質(zhì)量進行水平繪圖，實現(xiàn)對顆粒物污染的監(jiān)測及染源分布狀況的判定，圖3為某地區(qū)一時段氣溶膠時空演變圖，從圖中可以很明顯的看到高空到近地面氣溶膠隨時間的變化過程。

3 EV-lidar激光雷達日常維護

用戶在使用前閱讀說明，此說明書詳細介紹了EV-LIDAR的運輸、使用、維護、安全等事項。用戶在操作雷達系統(tǒng)前，必須認真閱讀此手冊，根據(jù)TUV安全認證要求，安全標識必須粘貼于激光雷達光學(xué)頭和控制單元上，此目的是提醒操作人員注意，避免對人員造成傷害。雷達開啟前，請注意光束路徑上不要有任何遮擋物，否則可能導(dǎo)致探測器損壞。禁止在激光光束通過的區(qū)域內(nèi)放置任何金屬反射物或反射鏡，此類物體會使光束發(fā)生反射。激光雷達為光學(xué)精密儀器，搬運過程輕拿輕放，若遠距離運輸，請放置在專用包裝箱內(nèi)。

4 結(jié)論

激光雷達的應(yīng)用十分廣泛，我們在環(huán)境監(jiān)測過程中，根據(jù)氣溶膠時空演變繪圖，可以實現(xiàn)對顆粒物污染的監(jiān)測及染源分布狀況的判定，并進行城市控制質(zhì)量繪圖，從而進一步研究氣溶膠與云形成和發(fā)展的關(guān)系、交互模式，特別是垂直分布關(guān)系、間接效應(yīng)、輻射關(guān)系等。隨著科研的進步，偏振米散射微脈沖激光雷達系統(tǒng)將更多的應(yīng)用在大氣降水、氣象變化以及氣象災(zāi)害的研究及預(yù)報中，并且有可能向更多領(lǐng)域延伸。

參考文獻：

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