第三代移动式大气环境激光雷达监测系统及其应用

谷雨，郑有飞，高庆先，张艳艳，刘婷，马占云

1.南京信息工程大学，江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室，江苏 南京 210044 2.中国环境科学研究院，北京 100012 3.廊坊市气象局，河北 廊坊 065000 4.南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏 南京 210044 5.内蒙古自治区环境监测中心站，内蒙古 呼和浩特 010011

第三代移动式大气环境激光雷达监测系统及其应用

谷雨1,5，郑有飞1，高庆先2*，张艳艳3，刘婷4，马占云2

1.南京信息工程大学，江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室，江苏 南京 210044 2.中国环境科学研究院，北京 100012 3.廊坊市气象局，河北 廊坊 065000 4.南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏 南京 210044 5.内蒙古自治区环境监测中心站，内蒙古 呼和浩特 010011

介绍了第三代移动式大气环境激光雷达监测系统(AML-3)的结构和主要设备，展示了该系统在监测颗粒物、气态污染物方面的优势，并在中国环境科学研究院(40.04°N,116.41°E)开展了大气环境和气象监测试验。结果表明：与常规地面环境监测相比，AML-3实现了对常规污染物浓度和颗粒物消光系数的近地面、垂直与斜程廓线分布以及地面气象要素(温度、相对湿度、风速、风向和大气压)的可移动综合监测；随高度增加大气颗粒物后向散射系数呈先增大后减小的趋势，并在近地面出现极大值区，同时，晴天大风天气条件下气溶胶层高度较晴天低风速天气条件下增加明显；相对湿度较大时，颗粒物数浓度与相对湿度呈负相关，反之呈正相关。

移动式；大气环境；激光雷达；监测系统；垂直廓线；消光系数

随着城市化的发展，城市建筑物的高度不断增加，人们日常活动的范围逐渐向高空发展，高空大气污染物的监测成为大气环境监测的重要内容之一[1]。激光雷达是一种主动式现代光学遥感设备，与普通微波雷达相比，激光雷达使用的是工作频率较高的多光束，更适用于大气污染物的探测。激光雷达进行大气污染物的测量在国外已有50多年的历史，我国双差分激光雷达探测大气污染气体浓度也有20多年的历史。Schotland[2]在拉曼(Raman)散射激光雷达的基础上用差分吸收激光雷达技术测量大气中水汽含量，并得到了较可靠的监测数据。20世纪60年代末—70年代初，Melfi等[3-4]用倍频Q开关红宝石激光器的倍频光束(波长为347.2 nm，输出能量为40 MJ)和牛顿式接收望远镜(直径为40 cm)观测了大气中水汽和氮气的拉曼后向散射信号，获得了地面至3 km的水汽混合比垂直廓线。随后，Cooney[5]使用倍频Q开关红宝石激光器和直径75 cm的接收望远镜，探测了大气绝对湿度的垂直分布，得到了大气相对湿度垂直廓线。1975年Gibson等[6]首次使用Dye DIAL给出了对流层臭氧廓线；1977年Megie等[7]同样利用Dye DIAL测量出了18～28 km的平流层臭氧廓线。利用差分吸收激光雷达测量臭氧及其他痕量气体的技术从此不断发展起来。1979年Fredriksson等[8]采用激光对大气污染物进行了监测。1989年Kolsch等[9]对大气痕量气体进行了大量研究，包括水平方向和垂直方向的测量，研制的车载激光雷达可监测NO和NO2气体，但其探测高度只有几百m。目前差分激光雷达(DIAL)可用于监测多种大气污染物以及痕量气体，如SO2、NOx、O3以及气溶胶等，并且其探测高度可达到5 km或者更高。2006年4月发射的CALIPSO卫星[10]上搭载了正交偏振云-气溶胶激光雷达(CALIOP)，是世界上首个应用型的星载云-气溶胶激光雷达。欧洲空间局(ESA)地球环境观测战略的Earth Explorer计划包括GOCE、SMOS、CryoSat2等科学探测卫星，还包括激光测风雷达卫星(ADM-Aeolus)和EarthCARE(计划2018年发射)2颗激光雷达卫星[11-12]。

由于激光雷达技术具有监测范围广、精度高、距离长、实时快速、连续以及时空分辨率高等特点，其在监测大气污染的时空分布以及研究大气污染扩散规律等方面显示出很大的优势[13]。国内在发展大气痕量气体垂直分布直接探测方面起步较晚，长期处于空白状态。20世纪80年代末中国科学院大气物理研究所研制的电化学式的IAPI型臭氧探空仪首次实现了我国0～30 km大气O3垂直分布的直接探测[14]。2001年中国科学院安徽光学精密机械研究所成功研制出国内首台米散射多普勒测风激光雷达。

目前国际上大多采用差分方法对大气污染物进行垂直测量。在紫外光谱范围内，许多微量气体(如SO2、NO2、NO、O3等)的浓度已被差分技术成功测量出来。DIAL适合重复性测量大气痕量气体，已成为大范围快速检测大气环境的新一代高技术手段[8]。DIAL不仅能准确测量对流层大气中的SO2、NO2、NO和O3浓度，还能测量平流层的O3浓度。DIAL是目前进行高空大气污染物测量最有效、快捷和精确的手段[15]。

笔者详细介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所根据中国环境科学研究院提出的监测需求特别研制的第三代移动式大气环境激光雷达监测系统(AML-3)，并给出了具体的应用实例，以期为研究大气环境质量提供新的途径。

1 材料与方法

AML-3在第一代和第二代车载式测污激光雷达(AML-1和AML-2)的基础上[16-18]特别研制的，其包括车载测污激光雷达和地面监测系统(图1和图2)。

图1 第三代移动式大气环境激光雷达监测系统结构示意Fig.1 Schematic diagram of the 3rd-generation mobile atmospheric environment Lidar monitoring system

图2 第三代移动式大气环境激光雷达监测系统内外部仪器实景Fig.2 Inside and outside photos of the 3rd-generation mobile atmospheric environment Lidar monitoring system

AML-3主要应用于对大气污染物空间结构的观测。该系统具有测量范围大、距离分辨率高、数据可靠和灵敏度高等特点，结合地面监测系统，能够实现对典型地区的快速监测功能，并可通过对激光扫描头的驱动实现大气污染物空间三维探测，水平扫描角度为0°～360°，垂直扫描角为0°～90°，角速度大于5°/s。该系统监测的大气污染物包括大气气溶胶、SO2、NO2和O3，并能得到细颗粒物的粒径谱分布，同时还可对常规的气象要素进行观测。

1.1车载测污激光雷达

车载测污激光雷达是光学、精密机械、弱信号探测和获取、计算机等高精技术的集成，主要由发射系统、光学接收和信号检测系统、数据采集和控制系统四部分组成。在激光发射和接收光路上装有扫描镜头，能俯仰和方位转动，以实现三维空间扫描。

1.1.1硬件构成

发射系统是由激光光源、扩束镜和导光镜组成，采用镭宝SGR-10四波长激光器(1064、532、355和266nm)，可实现波长自动切换拉曼激光光源，最大重复频率为20Hz。激光光束经过扩束镜准直后，由导光镜和扫描镜导向大气。发射系统除可用来改善激光的发散角以外，还用来保证发射的激光束与接收光学系统的光轴平行或同轴。

光学接收和信号检测系统主要包括接收望远镜、小孔光阑、光纤、输出光准直器、滤光片等光学部件和光电倍增管(PMT)、前置放大器等电子学部件。接收单元接收望远镜在其焦平面上，设置有不同直径的小孔光阑，起限制视场角的作用。

数据采集系统由数据采集卡和工控机等组成。高压电源将光信号转变成电信号，经前置放大器放大信号，再将模拟信号转换为信号数字(A/D转换器)进行采集。

控制系统一般由计算机、控制软件和相应的控制电路(调焦控制器、扫描系统控制器、拉曼管移动控制器等相关部件控制系统)组成。控制系统保证了扫描方向、激光发射、对光、回波信号接收、数据采集、传送和存储的协调一致性。

1.1.2测污原理

1.1.2.1大气气溶胶

大气气溶胶监测主要是基于米散射原理对大气颗粒物(后向散射系数)进行测量，采用镭宝SGR-10四波长激光器的二倍频532nm作为探测波长，脉冲能量高于80MJ，重复频率为20Hz。激光光束经12倍扩束镜后，由导光镜导向大气。接收望远镜采用直径为300mm的近牛顿型望远镜，在其焦平面上设置1个小孔光阑，起限制光束孔径和视场角的作用。由接收望远镜会聚的光束经光纤到凸透镜，准直后再经高精度窄带滤光片、衰减片到达光电倍增管、前置放大器，最后由A/D转换器和计算机进行采样，累加平均和存储，实现对大气气溶胶的监测。

1.1.2.2污染气体

大气对辐射的吸收具有显著的选择性，DIAL的基本原理是利用待测气体分子的吸收特性测量该气体的浓度。车载测污激光雷达系统采用DIAL对大气中SO2、NO2和O3浓度进行测量，基于大气中污染气体的吸收特性，选择波长接近的2束脉冲激光，其中一束处于待测气体吸收线上，另一束处于待测气体吸收线的边翼上或吸收线外，根据这2束波回波强度的差可以确定待测气体分子的浓度。

SO2有3个重要吸收带，第一吸收带的光谱为0.34～0.40μm，带中心为0.37μm左右，该吸收带较弱；第二吸收带光谱为0.24～0.33μm，带中心为0.29μm左右，该吸收带较强；第三吸收带光谱为0.21～0.24μm，带中心为0.22μm左右，该吸收带非常弱。SO2的光氧化主要由第二吸收带的辐射吸收激发，第一和第三吸收带相对次要。胡顺星等[19]根据SO2的吸收截面特性，选择波长288.38和289.04nm分别对应SO2的弱吸收线和强吸收线，镭宝SGR-10四波长激光器的基频波1064nm的光束通过四倍频产生266nm的光束，分别泵浦甲烷和氘气，产生拉曼频移的一级斯托克斯线288.38和289.04nm，用于探测SO2的浓度分布。

NO2在0.25～0.70μm波段都有吸收，0.35μm波段以下和0.60μm波段以上的吸收较弱且没有明显的峰谷结构，NO2吸收最强的波段约为0.4μm[20]。镭宝SGR-10四波长激光器的基频波1064nm经过三倍频产生355nm的光束，分别泵浦甲烷和氘气，产生拉曼频移的一级斯托克斯线395.60nm(强吸收线)和396.82nm(弱吸收线)，用于探测NO2的浓度分布。

O3最强的吸收在紫外区哈特莱(Hartley)带，波长为0.22～0.30μm，较弱的吸收位于哈金斯(Huggins)带，波长为0.32～0.36μm。镭宝SGR-10四波长激光器的基频波1064μm的光束通过四倍频产生266nm的光束，分别泵浦氢气和甲烷，产生拉曼频移的一级斯托克斯线299.05nm(弱吸收线)和288.38nm(强吸收线)，用于探测O3的浓度分布。

图3归纳了车载测污激光雷达系统测试不同污染物时使用的波长。表1给出了车载测污激光雷达的性能及其应用。从表1可以看出，车载测污激光雷达对不同污染物的监测性能不同。从最小探测浓度来看，O3的探测精度最高，达6×10-9，而NO2的探测精度相对较低，只有25×10-9；从最小探测浓度的空间分辨率来看，气溶胶的最高，达15m，其次是SO2和O3，均为500m，NO2最小，仅有1000m，提高激光雷达监测的空间分辨率是目前急需解决的科研问题；从最大探测距离来看，气体成分一般为2～4km,气溶胶为3～5km，但在实际观测中由于有云和颗粒物的影响，特别是在阴天和重污染天气过程时，最大可探测距离往往低于理论值。

图3 车载测污激光雷达系统测试原理Fig.3 The principle of pollutants monitoring of the 3rd-generation mobile Lidar system

表1 车载测污激光雷达性能及其应用

注：气溶胶为最小探测高度。

1.2双角度光学粒子计数器(DA-OPC)

双角度光学粒子计数器是测量大气气溶胶谱分布的重要仪器，利用粒子的光散射特性来测量大气颗粒物的密度谱和浓度[21-23]。同时利用折射率对2个角度的敏感性差异来反演大气气溶胶的折射率。其在气象、环境保护、超净工业、大气光学研究等领域有广泛的应用。DLJ-292多道光学粒子计数器是由中国科学院安徽光学精密机械研究所为AML-3系统特别开发研制的。

双角度光学粒子计数器设计成60°和90°双散射光路(图4)，由光电测量箱和数据处理计算机2个部分组成，既可以测量气溶胶谱分布，又可以反演气溶胶折射率。光电测量箱包括光源、聚光系统、光学散射腔、光电倍增管等。数据处理计算机采用工控机，兼做控制和数据处理用。工控机总线槽中配有1块高性能的16bitPCIA/D转换板，将电压信号转换成数值量供工控机处理，流量为300mL/min，最小测量粒径为0.2μm，测量范围为0.3～12.0μm，并将该范围的颗粒物分成17通道(表2)，浓度测量最高可达1000个/mL。仪器采用光发二极管作为光源，光源可使用2万h以上。双角度光学粒子计数器采用智能控制系统，可实时自动对大气气溶胶进行测量，测量误差小于15%。

图4 双角度光学粒子计数器光学原理Fig.4 Optical principle of double-angle optical particle counter

通道粒径通道粒径通道粒径10.371.2135.020.481.5146.030.592.0158.040.6102.51610.050.8113.01712.061.0124.0

1.3大气污染物成分分析系统

地面监测系统中大气污染物成分分析系统由澳大利亚Ecotech公司研制生产的O3分析仪(ML/EC9810)、SO2分析仪(ML/EC9850)和NOx分析仪(ML/EC9841)组成。

ML/EC9810O3分析仪为一台紫外光度计，其检测原理为紫外吸收法，测量时使用单个玻璃测量池体，并利用比尔-朗伯定律计算出O3浓度。测量精度为1.0×10-9。

ML/EC9850SO2分析仪为一台紫外荧光光谱仪，可连续测定周围空气中的低浓度SO2。测量原理为分子发射光谱法，单位可以是10-6、10-9、μg/m3或mg/m3。测量精度为0.4×10-9。

ML/EC9841NOx分析仪采用气相化学发光检测法，可实现NO、NO2及NOx的连续分析。测量精度为0.4×10-9。

3种大气污染物成分分析仪的主要参数见表3。从表3可以看出，地面监测系统可以得到连续、准确的主要污染物浓度。

表3 大气污染物成分分析仪主要参数

1.4超声波微型气象站

EMM-03型环境监测气象仪主要监测风向(WD)、风速(WS)、空气温度(T)、相对湿度(RH)和大气压(P)等5个参数。测量原理是通过电容式传感器元件测量相对湿度、温度、大气压，通过超声波风传感器测量风速和风向。其特点是精度高，坚固耐用，易与控制系统、遥控部件、数据记录仪和显示器相连接，可用于全天候环境保护监测。气象仪安装于车上，通过气动升降使用，数据能实时采集到计算机中。表4列出了EMM-03型环境监测气象仪的主要技术参数。

图5 2011年2月1—3日AML-3系统中地面观测系统测量的主要大气污染物浓度Fig.5 The concentration of major air pollutants measured by ground observation system in AML-3 system in 2011-02-01—2011-02-03

2 AML-3在大气环境研究中的应用

2010—2011年，在中国环境科学研究院(40.04°N，116.41°E)开展了利用AML-3系统监测大气环境试验，试验期间涵盖了阴天低风速、晴天大风、晴天低风速、重污染等几种天气过程。

2.1污染物地面监测

图5给出了2011年2月1—3日利用AML-3中地面观测系统测量的主要大气污染物浓度。

从图5可以看出，O3和NOx的浓度分布呈负相关，该特征反映出二者之间的化学转化。NOx浓度在午夜时分出现峰值，但其小时浓度并没有出现超标现象。O3浓度的高值均出现在午后13:00—15:00。

2.2大气颗粒物垂直分布

图6给出了AML-3在不同天气状况下对颗粒物监测的后向散射系数垂直分布。

图6 大气颗粒物后向散射系数垂直分布Fig.6 Vertical distribution of aerosol backscattering coefficient

从图6可以看出，在垂直方向上大气颗粒物后向散射系数先增大后减小，在1.0～1.5km处出现峰值；在3km处出现较小的峰值。表明在这2个高度存在相对较厚的气溶胶层，这一结论与陈敏等[24]的试验结果一致。后向散射系数的最大峰值出现在2010年12月19日，最小峰值出现在2011年3月7日。中国环境监测总站监测结果显示，2010年12月19日是轻度污染天气，在8个监测样本中该日的大气颗粒物后向散射系数最大，说明其气溶胶浓度最大，属于污染相对严重的一天。2011年3月7日空气质量良好，这可能与2011年3月7日之前北京发生降水，对大气中的颗粒物起到了冲刷雨洗的清洁作用有关。

2.3大气颗粒物剖面分布

图7 晴天低风速条件下大气颗粒物后向散射系数空间分布Fig.7 Spatial distribution of aerosol backscattering coefficient under clear sky and low wind speeds

对空间大气颗粒物分布状况主要进行了剖面测量，由于周围建筑物和树木的遮挡无法进行水平0°角的测量，因此在进行剖面测量时其角度为10°～90°。试验期间的天气状况与天气污染特征基本一致，大气颗粒物空间测量采用的机制、原理和技术等都较成熟，其观测数据可靠性、稳定性也较强。图7给出了试验期间8个晴天低风速情况下大气颗粒物后向散射系数空间分布，其测量风速为1～2m/s。从图7可以看出，在晴天低风速情况下，AML-3所能探测的垂直距离约为2.2km，大气颗粒物后向散射系数在垂直方向上分层明显，但是分层高度不完全统一，这主要是受大气稳定度以及地表类型的影响较大，如2011年2月15日、3月4日和3月11日的气溶胶抬升高度较其余几天要高得多。大气颗粒物集中分布在近地面，并且后向散射系数不大于0.01，对应的最小能见度约为8km。2010年12月21日较其他数据特殊，最大后向散射系数大于0.01，主要是受冬季短时扬尘的影响。

2.4不同天气情况下颗粒物数浓度与相对湿度的关系

图8给出了不同天气情况下大气颗粒物数浓度与相对湿度的关系。2012年3月21日相对湿度较高，当天有雾。从图8(a)可以看出，该日大气颗粒物数浓度较高，相对湿度的日变化呈单峰型，午夜(00:00)—早晨(07:00)相对湿度较高，并随时间逐步增加，在07：00达到最高值，接近饱和；随后开始下降，最低值出现在下午(15:00)，相对湿度为50%左右，之后开始增加。当天颗粒物数浓度较高，并呈持续增加的趋势〔图8(a)〕。在相对湿度较高的情况下，大气颗粒物数浓度与相对湿度呈明显的负相关〔图8(b)〕。2012年3月24日天气晴好，相对湿度较小，颗粒物数浓度与相对湿度的演变基本一致〔图8(c)〕，呈正相关〔图8(d)〕。

注：图(b)样本数为24，相关系数为-0.76；图(d)样本数为18，相关系数为0.77。图8 颗粒物数浓度与相对湿度的关系Fig.8 Relationship between particle number concentration and relative humidity

3 结论

(1)第三代移动式大气环境激光雷达监测系统在开展大气环境监测与分析中可实现对颗粒物消光系数垂直与斜程分布的监测，O3、SO2和NO2浓度垂直与斜程分布监测，颗粒物粒径谱分布(0.3～12.0mm，分为17通道)监测，地面O3、SO2和NO2浓度的在线实时监测，地面温度、湿度、气压、风速及风向等要素的监测，完成移动便捷的综合监测。

(2)大气颗粒物的垂直分布特征为随高度的增加，其后向散射系数先增加后减小，在3km左右的高度有小幅增加。在近地面有大气颗粒物后向散射系数的极大值区，说明该区域存在气溶胶的堆积。大气颗粒物空间分布具有很大的不均匀性，呈明显的下低上高，近地面有明显的气溶胶层，并且晴天大风天气条件下气溶胶层较晴天低风速天气条件下有明显抬升。

(3)在不同的天气条件下，相对湿度和颗粒物数浓度的相关关系不同。在相对湿度较高的情况下，颗粒物数浓度与相对湿度呈负相关；在相对湿度较小的情况下，颗粒物数浓度与相对湿度呈正相关。

在实际观测和分析过程中，考虑到仪器设备的局限以及观测时间和地点的限制，还有许多问题有待在今后的研究中加强，特别是由于缺少相对应的大气稳定度、空气湿度等因子的观测资料，目前只能直观分析污染物的分布特征，需加强大气边界层，如逆温、风廓线、湿度廓线、高空风场等的分析，才能发挥激光雷达的优势，更准确地揭示高空大气污染物的空间分布。

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Thethird-generationmovableatmosphericenvironmentLidarmonitoringsystem(AML-3)anditsapplication

GU Yu1,5, ZHENG Youfei1, GAO Qingxian2, ZHANG Yanyan3, LIU Ting4, MA Zhanyun2

1.Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environment Monitoring and Pollution Control, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China 2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.Heibei Langfang Meteorological Bureau, Langfang 065000, China 4.College of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China 5.Inner Mongolia Environmental Monitoring Station, Hohhot 010011, China

The key instruments and its equipment of the third generation movable atmospheric environment Lidar monitoring system (AML-3) were introduced, and the advantages of this system in monitoring the particles and gaseous pollutants described. The experiments focusing on the atmospheric environment issues and meteorological elements were carried out in Chinese Research Academy of Environmental Sciences (40.04°N,116.41°E). The results show that compared with the normal monitoring systems, the AML-3 has obvious advantages in integrated and movable observation of near-surface, vertical and slanting route profile distribution of normal pollutants concentrations and particle extinction coefficients, as well as the surface meteorological elements, such as temperature, relevant humidity, wind speed, wind direction and atmospheric pressure. The aerosol backscattering coefficients reach its highest value near the surface and gradually decrease with the altitude increase at the experimental site in Beijing; the aerosol concentration layer during the clear sky with strong winds is obviously higher than that during the clear sky with week winds. At the experimental place, when the relative humidity is low, the number concentration of particles has negative correlation relationship with relative humidity; meanwhile, when the relative humidity is higher, the number concentration of particles in atmosphere has positive correlation relationship with relative humidity.

moveable system; atmospheric environment; Lidar system; monitoring system; vertical profile; extinction coefficients

谷雨，郑有飞，高庆先,等.第三代移动式大气环境激光雷达监测系统及其应用[J].环境工程技术学报,2017,7(6):651-660.

GU Y, ZHENG Y F, GAO Q X, et al.The third-generation movable atmospheric environment Lidar monitoring system (AML-3) and its application[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(6):651-660.

2017-03-06

北京市自然科学基金项目(8161004)；国家环境保护公益性行业科研专项(20150904，20150940)；南京信息工程大学重点实验室开放基金项目(KHK1307)

谷雨(1972—)，女，博士，主要研究方向为沙尘暴监测及防治，guyu123456@126.com

*责任作者：高庆先(1962—)，男，研究员，博士，长期从事气候变化和大气环境研究，gaoqx@craes.org.cn

X851

1674-991X(2017)06-0651-10

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.06.90