趙一鳴，潘 超，王麗東，張玉石

（北京遙測(cè)技術(shù)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(duì)穩(wěn)定的懸浮體系。習(xí)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(duì)大氣環(huán)境、氣候輻射和光在大氣中的傳輸?shù)扔兄匾挠绊?。因此，?duì)氣溶膠散射和吸收特性、轉(zhuǎn)化特性及其時(shí)空分布的測(cè)量與研究已經(jīng)成為氣候、環(huán)境和大氣研究的共同問(wèn)題［1］。

激光雷達(dá)是一種主動(dòng)遙感設(shè)備，由于激光具有高準(zhǔn)直、高單色性、高亮度等特征，因而激光雷達(dá)對(duì)大氣的探測(cè)具備很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。相比無(wú)線(xiàn)電雷達(dá)和微波雷達(dá)，激光雷達(dá)的波長(zhǎng)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(cè)大氣成分的光學(xué)及物理學(xué)參數(shù)［2］。

傳統(tǒng)的米散射激光雷達(dá)反演氣溶膠的光學(xué)性質(zhì)，需先假定激光雷達(dá)比的值，然而激光雷達(dá)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(shí)間和空間變化的。利用多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)探測(cè)氣溶膠的光學(xué)特性，避開(kāi)了對(duì)激光雷達(dá)比的假設(shè)而使用拉曼散射通道的數(shù)據(jù)，因此它在氣溶膠光學(xué)性質(zhì)反演準(zhǔn)確度方面具備一定的優(yōu)勢(shì)。本文介紹一臺(tái)多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)，并對(duì)河北省望都縣交通局綠化基地的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和討論，探測(cè)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(dá)比以及PM2.5質(zhì)量濃度的垂直分布。該觀測(cè)試驗(yàn)可對(duì)河北望都大氣環(huán)境進(jìn)行高度分布監(jiān)測(cè)，能夠擴(kuò)展對(duì)大氣氣溶膠的監(jiān)測(cè)范圍，可以有效地對(duì)大氣氣溶膠層、云層的物理性質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，有助于研究氣溶膠、云對(duì)氣候變化和對(duì)天氣演變的影響。

1 多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)AMPLE（Atmosphere Multiwave raman Polarization Lidar Equipment）結(jié)構(gòu)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(yuǎn)鏡接收子系統(tǒng)、光學(xué)處理子系統(tǒng)、系統(tǒng)控制及信號(hào)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(zhǎng)激光；光學(xué)處理子系統(tǒng)對(duì)望遠(yuǎn)鏡接收的光信號(hào)進(jìn)行光處理并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；系統(tǒng)控制及信號(hào)處理子系統(tǒng)完成后續(xù)處理。

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

北京遙測(cè)技術(shù)研究所自行研制的多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)實(shí)物照片如圖2所示。其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 AMPLE manufactured by Beijing Research Institute of Telemetry

表1 多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)Table1 Specifications of AMPLE

2 多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演方法

多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)接收通道中心波長(zhǎng)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(cè)通道（P代表平行偏振，S代表垂直偏振），386nm、407nm分別對(duì)應(yīng)發(fā)射波長(zhǎng)355nm信號(hào)的氮?dú)夥肿雍退肿永⑸浠夭úǘ危?07nm對(duì)應(yīng)發(fā)射波長(zhǎng)532nm信號(hào)的氮?dú)夥肿永⑸浠夭úǘ?。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(yuǎn)鏡接收到這些后向散射回波信號(hào)后，分光系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行處理，并使用光電倍增管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再用光子計(jì)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(dá)方程［3］可表示為

拉曼散射的激光雷達(dá)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(dá)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?dú)夥肿拥睦笙蛏⑸湎禂?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(zhǎng)和拉曼散射波長(zhǎng)；z為探測(cè)距離。

2.1 消光系數(shù)

多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)可接收氮?dú)獾睦笙蛏⑸浠夭ㄐ盘?hào)，由式（3）可得氣溶膠對(duì)激光發(fā)射波長(zhǎng)λ0的消光系數(shù)［4］

式中，NR（z）為氮?dú)夥肿恿Ｗ訑?shù)濃度，可由標(biāo)準(zhǔn)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(duì)激光發(fā)射波長(zhǎng)λ0、氮?dú)猱a(chǎn)生拉曼散射后的波長(zhǎng)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(zhǎng)1μm處大氣氣溶膠光學(xué)厚度，其取值由氣溶膠粒子的類(lèi)型決定，對(duì)于直徑與波長(zhǎng)可比擬的氣溶膠和水滴粒子，通常取k=1，對(duì)于直徑大于激光波長(zhǎng)的冰粒子，通常取k=0。

2.2 后向散射系數(shù)

多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)結(jié)合平行通道和垂直通道的米散射回波信號(hào)，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(dá)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(diǎn)，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(diǎn)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(lài)于入射光波長(zhǎng)、氣溶膠尺度譜分布和折射性質(zhì)，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(dá)方程（Raman方法），也可得到氣溶膠對(duì)激光發(fā)射波長(zhǎng)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(hào)，PλR（z）為拉曼后向散射回波信號(hào)，βmol（λ0，z）為波長(zhǎng)為λ0時(shí)大氣分子的后向散射系數(shù)。

2.3 激光雷達(dá)比

由2.1節(jié)和2.2節(jié)可知，利用假設(shè)的激光雷達(dá)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(wú)需激光雷達(dá)比信息。于是，由Raman方法可進(jìn)一步獲得激光雷達(dá)比

式（7）中，Sa（λ0，z）為氣溶膠的激光雷達(dá)比。

2.4 退偏比

多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)具備355nm和532nm的偏振通道，通過(guò)測(cè)量得到的偏振信號(hào)可直接求取退偏比δ。

3 河北望都?xì)馊苣z觀測(cè)

2014年6月到7月筆者在河北省望都縣開(kāi)展了多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)觀測(cè)試驗(yàn)。圖3（a）～（e）給出了7月5日晚上20時(shí)到22時(shí)多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)5個(gè)彈性散射接收通道的距離修正回波信號(hào)時(shí)空演化圖。從圖3可以看出，觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)大氣邊界層內(nèi)的氣溶膠狀態(tài)比較穩(wěn)定，觀測(cè)地點(diǎn)9km～11km的高空在21點(diǎn)之后出現(xiàn)了一層云層。

圖3 2014年7月5日20時(shí)到22時(shí)距離修正信號(hào)時(shí)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(shí)間段內(nèi)的355nm退偏比和532nm退偏比時(shí)空演化圖。從圖4可以看出，觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)大氣邊界層內(nèi)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(shuō)明粒子形狀越規(guī)則。

圖4 2014年7月5日20時(shí)到22時(shí)355nm、532nm退偏比時(shí)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(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)為雙軸激光雷達(dá)系統(tǒng)，激光束的發(fā)射視場(chǎng)與接收視場(chǎng)之間由完全分離逐漸過(guò)渡到完全重合。這樣的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定了在一定范圍內(nèi)的回波信號(hào)只能部分地被望遠(yuǎn)鏡所接收，甚至有些區(qū)域的回波信號(hào)無(wú)法接收。因此在對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，必須對(duì)激光雷達(dá)方程進(jìn)行修正，即引入系統(tǒng)幾何重疊因子Y（r）（即overlap），且滿(mǎn)足0≤Y（r）≤1。由2.2節(jié)可知，僅由彈性散射回波信號(hào)利用Fernald/Klett方法反演的后向散射系數(shù)會(huì)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(dá)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(jì)算出系統(tǒng)的overlap。多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)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(xiàn)［7］中的計(jì)算方法得到7月5日21時(shí)到21時(shí)59分累積1小時(shí)的355nm和532nm后向散射系數(shù)、消光系數(shù)及激光雷達(dá)比垂直分布廓線(xiàn)，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(jì)算的結(jié)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(jì)算得出的，且Fernald/Klett方法反演后向散射系數(shù)需假設(shè)激光雷達(dá)比值，其激光雷達(dá)比由Raman方法計(jì)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(jì)算的355nm激光雷達(dá)比基本在50Sr左右，圖6中兩種方法計(jì)算的355nm后向散射系數(shù)一致性很好。圖7中Raman方法計(jì)算的532nm激光雷達(dá)比在1km～1.5km處在40Sr到60Sr之間變化，所以圖7中兩種方法計(jì)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(guò)Raman方法定量探測(cè)反演激光雷達(dá)比是非常重要的。

圖6 2014年7月5日21時(shí)到21時(shí)59分355nm后向散射系數(shù)、消光系數(shù)和激光雷達(dá)比廓線(xiàn)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(shí)到21時(shí)59分532nm后向散射系數(shù)、消光系數(shù)和激光雷達(dá)比廓線(xiàn)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(xué)物理模型，可科學(xué)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(shí)到22時(shí)10分鐘分辨率的PM2.5質(zhì)量濃度時(shí)空變化情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

激光雷達(dá)在探測(cè)大氣顆粒物方面具有很高的時(shí)間和空間分辨率，是其他傳統(tǒng)探測(cè)手段無(wú)法比擬的。本文利用北京遙測(cè)技術(shù)研究所自主研制的多波長(zhǎng)拉曼偏振大氣探測(cè)激光雷達(dá)探測(cè)反演了河北望都的氣溶膠光學(xué)特性和微物理特性的垂直分布，設(shè)備性能穩(wěn)定，結(jié)果優(yōu)異。該激光雷達(dá)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)355nm、532nm的偏振探測(cè)，355nm的N2和H2O的定量探測(cè)，532nm的N2探測(cè)，以及1064nm的探測(cè)，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(dá)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣氣溶膠顆粒物空間分布及沉降時(shí)空演變的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(duì)氣候變化和對(duì)天氣演變影響的研究，并可與其他觀測(cè)儀器的數(shù)據(jù)融合應(yīng)用，提供更加豐富、更為準(zhǔn)確的氣候、氣象、環(huán)境等綜合探測(cè)信息。

圖8 2014年7月5日20時(shí)到22時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度時(shí)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(cè)遙控》第35卷第5期的文章《激光雷達(dá)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)》中，第2.3節(jié)軍事應(yīng)用中引用了計(jì)春明在《艦船光學(xué)》中發(fā)表的《國(guó)外激光雷達(dá)發(fā)展動(dòng)向與分析》中的有關(guān)內(nèi)容；第3節(jié)激光雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)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(dòng)遙感技術(shù)與應(yīng)用》（第742～748頁(yè)）中的有關(guān)內(nèi)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(dá)技術(shù)研究與應(yīng)用國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)分析》中的有關(guān)內(nèi)容。由于筆者的疏忽，在原文的參考文獻(xiàn)中未進(jìn)行相應(yīng)標(biāo)注。深表歉意!

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