一种能够全方位扫描的气溶胶监测激光雷达研制与应用

◎文/刘宏 孔祥鑫 潘焕双 邹庆尊 曹永

（安徽蓝盾光电子股份有限公司淮南市环境保护监测站）

环境污染防治已被国家列为重点工作，大气污染防治尤为重要，因为它直接关系到每个人的身心健康。大气污染监测的设备种类很多，可以将其分为近地面监测设备和高空探测设备。目前，在环境监测领域里，比较常用的高空探测设备可以根据其原理和主要监测成分分为测量气溶胶、烟羽、云等成分的米散射激光雷达（以下简称大气气溶胶激光雷达），测量痕量气体、气溶胶、水气等成分的拉曼散射激光雷达，吸收效应原理的O3监测激光雷达，Doppler效应的风速风向激光雷达（以下简称风廓线激光雷达）等。风廓线激光雷达分别与前述三种激光雷达组合使用，用于确定监测成分的输送方向。下面重点介绍一种能够全方位扫描的大气气溶胶监测激光雷达。

一、探测原理

由Nd:YAG激光器所产生的激光为光源垂直或水平发射到大气中，并与大气成分相互作用，产生物理、化学及光学信息等辐射信号，此辐射信号是反演大气成分相关信息的主要依据。也就是通过接收系统接收大气介质中球形粒子和非球形粒子后向散射的回波信号来反演大气气溶胶、沙尘粒子、云等的结构和光学参数。球形粒子后向散射为线性偏振，非球形粒子则不再是线偏振光，而是由平行和垂直的两个偏振分量，如沙尘和卷云，通过这两个分量并可测量粒子的退偏振特性。为此，该监测原理可由下列公式[1]表示：

式中，λ为所发射的激光波长（nm）；下标p与s分别表示后向散射光偏振方向与发射激光偏振方向平行及垂直的两个方向；Pzp(z,λ)及Pzs(z,λ)分别表示激光雷达接收系统所接收的高度（距离）为z处的大气介质在波长λ上的后向散射的平行偏振分量及垂直偏振分量的回波功率（W）；Pt（λ）是波长为λ的激光发射功率（W）；βp(z,λ)及βs(z,λ)分别是高度（距离）为z处的大气介质在波长λ上的后向散射系数的平行偏振分量及垂直偏振分量（km-1·sr-1）；kp及ks都表示雷达系统常数（W·km3·sr）,前者代表平行偏振分量值，后者代表垂直偏振分量值；αp(z,λ)及αs(z,λ)分别是高度（距离）在z处大气在波长λ上的消光系数的平行偏振分量及垂直偏振分量(km-1)；Prp(z,λ)和 Prs(z,λ)分别为从望远镜到距离 z处各大气分子后向散射的回波功率的平行与垂直的两个偏振分量；δ(z,λ)为大气退偏振比。

二、主要组成及作用

目前，国内用于环境领域的气溶胶监测激光雷达的组成基本都是由激光发射模块、光学接收模块、信号采集模块、数据分析模块、系统控制模块等组成。该雷达能够实现全方位扫描，所以增加了垂直旋转结构及水平旋转结构。图1为激光雷达的组成及探测原理示意图。

激光发射模块主要部分是Nd:YAG激光器，所发射出的激光波长为1064nm、532nm和355nm，再配置扩束镜和发射光路等光学器件,将激光发射到大气中。图1中θ为激光器发射光束的发散角。

光学接收模块主要由望远镜及后继光学等组成。望远镜的类型为卡塞格林望远镜，也就是使后向散射光依次进入主镜（球面镜）、反射到次镜（凸面镜）、反射穿过主镜中心的孔洞，汇聚在主镜后方的焦平面上，进入后继光学单元进行分光。图1中，ω为望远镜的视场角，序号1和2分别表示大气中球形粒子和非球形粒子，z表示大气粒子至望远镜的距离。当激光照射到非球形粒子时，其后向散射的回波信号与发射激光偏振方向平行和垂直的两个偏振分量通过后继光学将其分开，其回波功率在图1中分别用P11和P⊥表示，也就是前面公式中提到的Pzp(z,λ)及 Pzs(z,λ)。

信号采集模块是由信号探测器（PMT）、高压模块、采集卡等组成，用以采集三个波长大气后向散射回波信号，将其光信息转换成电信号并进行放大处理。

数据分析模块主要由工控机、A/D转换模块、算法及分析软件等组成。被转换的电信号经过前置放大后进入采集卡进行模/数转换，转换为数字信号供工控机的软件处理，通过相关反演算法将数字信号转换为可读性高的图谱，并通过显示器显示。

系统控制模块是由工控机及控制软件组成，主要对激光器开关、望远镜的垂直旋转与水平旋转、回波信号的接收与采集、数据的分析等进行统一协调控制，包括附加的天窗吹扫及加热除湿等。

图1 激光雷达的组成及探测原理示意图

三、数据采集与分析

该雷达于2017年10月、11月在安徽淮南及淮北两地进行了实地监测，进行了水平360°扫描监测污染源分布应用和垂直探测气溶胶时空分布应用。

1.水平360°扫描监测污染源分布应用

利用本气溶胶激光雷达，于2017年10月21日9:15至10:15时段在淮南市的八公山区进行了水平360°扫描监测，雷达扫描的有效半径为5.18km。扫描结果如图2所示。

图2 激光雷达水平360°扫描气溶胶结果图

结合激光雷达水平360°扫描图谱（见图2），可以清楚地看到在仪器安放点位（圆中心）的西南角存在明显的片状污染源（红色部分）。结合软件GIS可以看到，片状污染的下方是大面积的采石场区域。通过实地考察取证，现场采石作业繁忙，作业引起的扬尘颗粒明显，并向高空及四周扩散，因此最终导致雷达监测到片状污染区域。

2.垂直探测气溶胶时空分布应用

结合本设备的垂直探测（垂直朝向高空）方式，于11月10日0:19至8:25时段，在淮北市进行了驻点观测。激光雷达观测结果如图3所示。

图3为淮北市的11月10日气溶胶雷达定点监测显示的532nm的消光与退偏图谱。凌晨1:00左右淮北市上空1.1～1.6km高度层开始逐渐出现高空污染输送层。随时间推移，高空输送层逐渐加重，并从凌晨5:00开始逐渐向近地面沉降。凌晨7:00污染快速沉降，且浓度也加重。通过退偏图谱来看，淮北市监测期间退偏较大，说明上空污染主要为表面不规则颗粒物。

图3 淮北驻点垂直观测气溶胶时空分布图

图4 真气网发布淮北市2017年11月10日AQI变化曲线图

图4为真气网发布的淮北市地面空气监测数据，该数据说明，在2017年11月10日6:00空气质量由良逐渐演变为轻度污染，并快速演变至中度污染，1小时内再次上升为重度污染。

图5 2017年11月10日NOAA卫星监测到淮北市上空后向轨迹图

结合10日的NOAA卫星的后向轨迹图（见图5）数据来看，污染气团主要来自西北方向，西北方向近地面的污染随气团不断上升，至10日凌晨左右传输至淮北上空。

四、结论

通过仪器设备的实地监测应用说明，本款气溶胶激光雷达在水平扫描监测时，能快速有效地寻找到污染源的排放地点；在垂直探测应用时，能够有效地监测出气溶胶污染浓度的时空分布，并能完整地呈现污染团的整个演变过程，同时结合退偏图谱能有效地判断出气溶胶的规则形状，如此为环境监测部门提供有效的数据支撑，是一款非常实用的遥感监测设备。同时，这种遥感监测技术手段也弥补了现阶段高空气溶胶实时浓度分布监测技术的空白。