简析偏振米散射微脉冲激光雷达的原理与应用

谷金峰

摘要：随着人类活动和工业排放的增加，气溶胶数量在不断增加。研究气溶胶与云形成和发展的关系、交互模式，特别是垂直分布关系、间接效应、辐射关系等，对大气降水、气象预报、气象灾害研究等有重要的科学意义，近些年来大气气溶胶对全球天气和气候的影响已经被大量的研究，激光雷达为气溶胶的垂直结构，成分和动力探测提供了有力的工具。

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.

关键词：激光雷达；气溶胶；光散射

Key words： laser radar；aerosol；light scattering

中图分类号：TN958.98 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）09-0219-02

0 引言

氣溶胶在大气中的含量虽然不很高，但却对大气质量有着很大的影响。气溶胶是悬浮在大气中的固态粒子或液态小滴物质的总称，云雾、烟尘、霾、轻雾（霭）、微尘和烟雾等，都是天然或人为原因形成的大气气溶胶。随着人类活动和工业排放的增加，气溶胶数量在不断增加。气溶胶一般作为水滴和冰晶的凝结核、太阳辐射的吸收体和散射体，参与各种化学循环，是大气的重要组成部分之一。研究气溶胶与云形成和发展的关系、交互模式，特别是垂直分布关系、间接效应、辐射关系等，对大气降水、气象预报、气象灾害研究等有重要的科学意义，近些年来大气气溶胶对全球天气和气候的影响已经被大量的研究，激光雷达为气溶胶的垂直结构，成分和动力探测提供了有力的工具。我市2010年在大气自动监测梯度站安装了一台米散射微脉冲激光雷达，来帮助研究大气污染立体观测。

1 激光雷达的原理

激光雷达是一种新型的高技术手段，它能够大范围快速监测大气环境。其原理是依据大气对激光的各种物理效应，比如消光/吸收/散射等，定量分析激光大气回波，从而进行大气环境探测。激光具有单色性好、高亮度、大功率、方向性高、相干性强等特点。其中高方向性、高亮度和高脉冲重复率使得激光能够实时的大范围的快速监测大气环境；激光的短脉冲使空间分辨率可达几米；良好的单色性使得激光具有较强的高探测灵敏度。由激光雷达的探测数据可获得大气边界层的结构和时间演变特征、大气气溶胶（飘尘）消光系数垂直廓线和时间演变特征、云高度及多层云结构、大气能见度等信息，监控工业烟尘的排放以及研究它们的扩散规律、它对大气环境监测和大气科学研究都有着重要的意义，具有其它测量手段不可替代的优势。

米散射偏振微脉冲激光雷达的组成部分主要包括：控制和数据处理软件；高速多道计数器和计算机；高灵敏度光电探测器（CPM）；发射和接收光学系统；半导体激光泵浦的Nd：YAG脉冲激光器等，如图1和图2所示。

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它的工作原理是将小型半导体泵浦YAG倍频偏振激光器工作时发出的偏振激光输入扩束器进行扩束，扩束后向天空发射，激光被大气中的气溶胶所散射，气溶胶中的球型粒子的后向散射光将不改变激光的偏振方向，而非球型粒子的后向散射光将改变激光的偏振方向而形成与原激光偏振方向垂直的分量。来自球型和非球型粒子的后向散射回波信号由接收光学望远镜接收并通过分光棱镜将两个不同偏振方向的光分开，分别传递到两个探测器；光子计数卡按照光电脉冲信号从空间返回的时序做对位记数和累加处理，其结果存储到相应的数据存储单元；对采集到的两路信号通过软件对采集到的信号进行计算得出回波的退偏振度，从而得出非球型粒子的空间分布廓线。（当照射光为偏振光时，非球形粒子的散射光将不再是完全偏振光，也就是退偏振。这是基于被不同形状和性质的粒子散射的电磁波具有不同偏振特性的原理。可以利用其散射电磁辐射的退偏振信息，探测并区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）来衡量。此外，也可以将两组信号求合，得到总的后向散射光强度分布，因此偏振微脉冲激光雷达也可以完成一般微脉冲激光雷达的功能。大气探测激光雷达的工作波长在0.1-10um，可与大气中原子、分子和粒子相互作用而产生回波。

激光雷达方程式为：

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

式中：P（z）为激光雷达接收到的回波信号功率；P0为发射激光束的功率；C为激光雷达的系统常数；z为探测距离；O（z）为系统几何重叠因子，β（z）=βm（z）+βa（z）为大气中某种被探测组分的总后向散射系数；α（z）=αm（z）+αa（z）为大气总的消光系数。

常用的计算气溶胶消光系數的方法包括斜率法，近端法、远端法、和Fernald法。水平探测情况下，一般采取斜率法求解大气气溶胶水平消光系数分布。对激光雷达方程（1）作简单变化，设 S（r）=ln（r2P（r））

则雷达方程变为：S-S0=ln■-2■σdr'（2）

两边取微分，则方程变为：■=■■-2σ（3）

对于均匀大气而言，dβ/dr=0，消光系数可以被表示成雷达对距离的率σhom=-■■

对非均匀大气而言，把探测的路径分割为许多连续的小段，并假定在每个小段距离内大气是相对均匀的，这样每一段距离上连续地应用斜率法就可以得到非均匀大气条件下较为合理的消光系数分布结果。

消光系数与可吸入颗粒物浓度的关系可以由两种方式求解，可以利用能见度传感器与激光雷达加入湿度，并假设大气均匀，可吸入微粒物质（RSP）浓度可由下方程求求解。a，b，c是根据本地能见度和PM10数据相关性而得到的，相关性只有效至相对湿度最高92%，因此，在高的相对湿度将导致求可吸入微粒物质浓度的演算增加极高的不确定性。另外雾及降水天气也将使演算增加不确定性。

另外也可以利用消光系数σhom与ρ（PM10）存在正相关的关系，将测量点的σhom和实测ρ（PM10）进行线形拟合可以得到两者的关系。

A，B是根据当地实测数据求得的。

2 激光雷达的应用

激光雷达的应用十分广泛，我们在环境监测过程中，主要应用有大气气溶胶垂直分布和时间演变；非球形粒子与球形粒子的探测区分；大气边界层的结构和时间演变特征；退偏比的时空变化；云顶、云底高度及多层云结构；判定城市内部扬尘和外来飘尘的分布状况；城市的空气质量进行水平绘图，实现对颗粒物污染的监测及染源分布状况的判定，图3为某地区一时段气溶胶时空演变图，从图中可以很明显的看到高空到近地面气溶胶随时间的变化过程。

3 EV-lidar激光雷达日常维护

用户在使用前阅读说明，此说明书详细介绍了EV-LIDAR的运输、使用、维护、安全等事项。用户在操作雷达系统前，必须认真阅读此手册，根据TUV安全认证要求，安全标识必须粘贴于激光雷达光学头和控制单元上，此目的是提醒操作人员注意，避免对人员造成伤害。雷达开启前，请注意光束路径上不要有任何遮挡物，否则可能导致探测器损坏。禁止在激光光束通过的区域内放置任何金属反射物或反射镜，此类物体会使光束发生反射。激光雷达为光学精密仪器，搬运过程轻拿轻放，若远距离运输，请放置在专用包装箱内。

4 结论

激光雷达的应用十分广泛，我们在环境监测过程中，根据气溶胶时空演变绘图，可以实现对颗粒物污染的监测及染源分布状况的判定，并进行城市控制质量绘图，从而进一步研究气溶胶与云形成和发展的关系、交互模式，特别是垂直分布关系、间接效应、辐射关系等。随着科研的进步，偏振米散射微脉冲激光雷达系统将更多的应用在大气降水、气象变化以及气象灾害的研究及预报中，并且有可能向更多领域延伸。

参考文献：

[1]张大毛.扫描式微脉冲激光雷达的研制与应用[J].大气与环境光学学报，2006，7.

[2]刘诚.西藏那曲与北京小区对流层气溶胶的维脉冲激光雷达测量[J].光子学报，2006，9.

[3]贺千山.微脉冲激光雷达及其应用研究进展[J].气象科技，2004，8.