气溶胶激光在大气环境监测中的应用研究

沈阳绿恒环境咨询有限公司 魏骥

随着我国政府对生态环境重视程度的加强,我国大多数地区的大气环境质量也已得到了明显的改善,细微颗粒（PM2.5）在空气中的含量也呈现出衰减的趋势。根据我国相关部门发布的报告分析,直至2021年年底,我国城市的细微颗粒年均含量已衰减至每立方米三十六微克，但是从局部情况看来,我国仅有半数的城市的空气质量达到合格标准[1]。我国东北地区的多数城市细微颗粒物污染情况仍然非常严峻。由此得知,在今后一定时期内空气细微颗粒的防治仍是我国大气污染防治的重点。

传统的自动检测设备，可以对空气中的细微颗粒含量进行较为准确的探测，但是传统的自动检测设备在对高空中的细微颗粒含量进行探测时便存在明显的不足。因此将新型技术应用到高空细微颗粒检测过程当中非常重要，而激光雷达技术的发展在一定程度上解决了此类问题，激光雷达技术可以很好地对高空空气含量进行精确的监测，因此激光雷达技术已经广泛地应用到了大气环境监测领域[2]。气溶胶激光雷达可通过垂直扫描获取近地面至对流层的气溶胶消光垂直廓线,并根据接收到的信号信息进行反演,以此确定当地的大气环境质量以及空气中各种粒子的含量,并对这些粒子进行相关的分析,从而为我国大气环境治理提供相应的帮助[3]。

一、激光雷达技术概况

（一）激光雷达组成原理

激光雷达，是近代激光技术得到快速发展后的产物,将先进的激光技术与当前的雷达技术进行结合,从而可以把二个技术的优点完美的融合到了一起,并以此提升雷达技术的准确度[4]。激光雷达在完成距离和位移检测任务时,主要利用的原理是由激光的波形反射速度来实现的,通过激光波形的反射速度和位移来对目标物体的位移速度和距离做出识别。但现阶段,激光雷达技术在测量领域具有非常大的优势。

（二）激光雷达的基本特征

激光雷达系统主要的工作波段为红外线和可见光。激光雷达利用激光器可以很好地实现脉冲的光电转换,并在最后将其转换为电脉冲波,光电脉冲波的转换是激光雷达最大的优点。在经过此过程之后,激光雷达的测量精确度会得到显著的提高。我们根据激光雷达的工作过程可以发现,激光雷达是基于传统雷达之上的一种新型的雷达技术,并且其相对于传统的雷达而言,具有更高的精确度[5]。相较于传统的测量技术,激光雷达在进行测量时可以更好地反应目标的距离、位置与角度,这些信息的准确性对于最终的测量结果有着非常大影响,因此激光雷达技术拥有着更高的准确性。近些年,随着相关科研人员对激光雷达研究的不断深入,激光雷达的种类也越来越多,激光雷达的多样性也使得激光雷达的应用领域越来越广泛。

（三）激光雷达的类型

激光雷达，可以根据其应用领域的不同以及其组成结构的不同分为多种类型。根据雷达发射器所使用的发射物质类型可以将其分为气体、半导体、固体激光雷达[6]。较为常见的气体激光雷达为二氧化碳激光雷达,这种雷达的发射原料较为常见,并且其发射的波段为红外线波段,与此同时二氧化碳激光雷达的探测间距较远，非常适合将其运用到大气环境监测当中。半导体激光雷达一般会运用到云层的监测当中,因此多数的半导体激光雷达的尺寸都比较小,并且其价格也非常的实惠,气溶胶激光雷达则是半导体激光雷达中的一种,气溶胶激光雷达可以对特定区域内的空气含量已经空气中的气溶胶信息进行分析,从而推测当地的空气质量。固体激光雷达主要应用在大气污染物监测和风速、温度、湿度等监测当中。

二、激光雷达技术的发展

（一）激光雷达技术的发展

激光雷达技术是在20世纪60年代才出现的,因此激光雷达技术的发展历程只有六十年的时间,在这六十年间,激光雷达技术由出现到现在的取得较高的成就,可在多个领域中被广泛应用,其整个发展历程是非常艰难的。第一台激光雷达是由美国的一家公司研制的,具体用于靶场测试,紧接着比较著名的是用于人造卫星的测距机,随后又将目光放到新型的激光雷达研发当中。在此期间,该公司不仅在进行二氧化碳激光雷达的研发,还对单脉冲激光雷达的制作理论进行了相关的实践。在激光雷达出现至今的六十多年时间内,激光雷达的类型越来越多,同时可以应用的领域也越来越广泛,但是直到1994年LITE的出现,激光雷达才开始应用到大气环境监测领域上。

目前已知的经常用于大气监测的雷达分为固定式激光雷达和可移动式激光雷达。在我国可移动式激光雷达，多数是由特定车辆进行装载从而达到雷达可移动的目的。而在一些发达国家中,固定式激光雷达已经逐渐被淘汰，这些国家已全面采用可移动式激光雷达来进行大气环境监测工作。截止到今天为止,我国在大气环境监测方面对激光雷达技术的研究也有三十年之久,在这三十年的时间内,我国的激光雷达技术也同样取得了非常大的进展。我国中科院在该方面的研究成果尤其突出,多数的研究结果都得到了国际各国研究人员的认可,并且中科院也成功研制出了我国第一台激光雷达。随后中科院又研制出多个领域的激光雷达,其中UV-DIAL差分激光雷达是我国的第一台用于观测平流大气层与臭氧层的系统。

（二）大气环境激光雷达的发展

在1991年我国中科院的安徽光机所成功建造了L625激光雷达系统,该系统是我国最大的可以观测大气气溶胶以及臭氧分布的激光雷达系统。此系统的出现为我国的激光雷达系统的研究提供了更多的可能,同时L625激光雷达系列也获得了国内相关企业的青睐,并将其运用于越来越广阔的应用领域。不久以后,该研究院又成功建立了L三百型可移动式激光雷达系统,这也是中国首个具有在对流层进行气溶胶系数、云、大气辨识度研究能力的散辐激光雷达体系。YAG激光雷达等等新的研究成果,对中国的大气环境激光雷达的监测研究迈出了一大步,并立足于国际领域中,已得到了世界高度的关注。

三、气溶胶激光雷达在大气环境监测中的应用

在对大气环境进行监测分析的过程中,气溶胶激光雷达具有其他激光雷达所不能比拟的优势。根据我国当前的研究形式,气溶胶激光雷达不仅可以对气溶胶边界和分布进行测量研究,还可以对温度、大气可见度等进行相关的测量与研究。

（一）探测气溶胶以及边界层

气溶胶可以对太阳辐射进行很好地吸收与反弹,这会对全球的气候造成非常大的影响。气溶胶边界层主要是指大气层的边界。当前我国的大气环境监测工作已能实现气溶胶和边界层的监测与分析,从而完成对全球气候变化的准确预测。从激光雷达的运行原理表明,激光雷达在进行工作时会发射相应的激光信号,而这些激光信号在触碰到边界层的物质时就会产生反射,而接收器在接收到这些反射信号之后就会对其进行相关的分析,根据分析结果便可以对空气中的微观粒子的扩散信息以及传输模式进行预测,从而对特定区域的大气环境质量作出判断。近些年,世界各国都出现了严重的大气环境问题,频繁的大气环境问题使得各国的研究人员不得不加强对大气环境的监测,这也让激光雷达在大气环境中的应用越来越深入,在具体的大气环境监测过程中,气溶胶激光雷达可以对大气中的气溶胶、黄沙、雾霾等内容进行非常准确的测量,这些测量信息，对预防大气灾害有着非常重要的作用。在我国的一些地区,相关大气监测部门就该情况已经建立了较为完善的雷达监测网络,雷达监测网络可以对当地的气溶胶以及边界层进行全方位的实时监测,有效地提高了我国大气环境监测的效果。

（二）探测温度

温度作为大气质量的一个重要指标,对其进行探测对于我国大气环境的监测与气象灾害的预测有着非常重要的作用。因此当前世界各地对于大气温度的探测都非常重视,而温度情况也已经成为了气象预告中不可缺少的环节。在对温度进行探测时,气溶胶激光雷达的应用，为我国的温度探测功能提供了非常大的便利性,并且气溶胶激光雷达的应用还显著地提高了我国大气温度探测的准确性。在利用气溶胶激光雷达进行温度探测时,瑞利散射是最为常见的温度探测方式。瑞利散射,气溶胶激光雷达通过利用全反射镜讲激光笔直的射入空气当中,通过空气中气溶胶的变化情况来对空气温度进行测量。但是瑞利散射在低空中的测量精确度还有待提升,因为低空中空气中所蕴含的气溶胶含量较高,而较高的气溶胶含量会在一定程度上影响到大气温度的探测。

（三）探测大气可见度

大气能见度探测，也是气溶胶激光雷达在大气环境监测中的主要功能之一。在具体的探测过程中,气溶胶激光雷达有着非常显著的优势。激光雷达作为近年来才出现的大气探测手段,其利用激光的反射与雷达的捕捉能力可以更好地将大气具体环境进行有效的分析,从而根据分析结果来对大气可见度进行准确的判定。较为精准的大气可见度分析对于人们日常的出行是非常有利的。大气可见度是大气透明度的反应,因此大气可见度会在一定程度受到天气情况的影响,而传统的大气可见度探测方式也会在一定程度上受到天气的影响。因此在对大气可见度进行探测时,利用激光雷达技术，可以极大地降低天气变化对探测精确度产生的影响,从而可有效地提高探测精度。

（四）探测风廓线

相关工作人员在进行与风相关的探测时,主要探测的内容是风速以及风向,但是在对风速和风向进行相关探测时,并不能取得较为明显的成果。而在将激光雷达技术应用到该领域之后,在对当地风速、风向和风力进行相关探测时便可以进行更加全面且严密的研究。传统的风向、风速探测工作极易受到空气湍流的影响,如若探测地区出现空气湍流,风速、风向的探测结果就会出现严重的偏差,这不仅会对当地居民的日常出行产生影响,还会在一定程度上影响到当地各种工作的开展与进行,进而影响到我国的国民经济发展。将全新的气溶胶激光雷达技术应用到风廓线探测过程当中,就会在很大程度上解决此问题,同时在最大程度上减少空气湍流产生的影响,从而得出更加准确的风速、风向探测结果。在具体的探测过程当中,不同天气情况产生的空气湍流会对雷达波的频率产生不同的影响,受到风速、风力等因素的影响,风廓线也会产生一定的变化。此时就需要利用激光雷达的特性来避免这些因素的影响。在遇到空气湍流时,激光雷达可以实现不同高度的空气湍流测量,相关部门可以通过对这些不同的测量信息进行分析,从而得出更加准确的测量结果。在我国的北方地区,由于天气环境变化较为复杂,传统的大气测量模式无法对当地的大气情况进行较为准确的实时测量,而利用激光雷达技术对当地的风廓线进行探测之后便可以有效地对当地的天气变化情况进行预测。可根据不同的天气采取不同的措施,从而有效地提高大气环境监测的质量与实效性。

四、激光雷达在大气环境监测中的存在的问题及改进措施

（一）激光雷达在大气环境监测中存在的问题

激光雷达技术作为近些年，出现的新型大气环境监测技术,其本质上还属于一种遥感工具,但与传统的遥感工具不同的是,激光雷达在探测跨度、空间辨识度已经测量精度方面都有着属于其自身的优势这些优势让激光雷达技术得以在不同的领域中都发挥着非常大的作用。但是在将激光雷达技术应用到具体的监测工作中后我们得知,激光雷达技术也还存在着一定的问题。最主要的问题是无论是哪种类型的激光雷达,在进行大气环境监测时都需要发射激光,而激光在传播的过程中会受到不同因素的影响,因此激光雷达的探测精确度并无法达到理论精度。另外,如果探测地区出现较为极端的天气情况之后,激光雷达在进行实地作业时的难度也会有所增加,这也在一定程度上限制了激光雷达技术在大气环境测量过程中的应用。

（二）激光雷达在大气环境监测中的应用改进

针对激光雷达在大气环境监测中存在的问题,我们需要从三个方面入手来对其进行具体的应用改进。一是需要对激光雷达的各项组成部分进行相应的升级创新,对激光雷达进行更加全面的升级,并以此提高激光雷达的应用范围。二是对激光雷达的各项功能进行更加有效的开发,提高激光雷达的各项探测能力,加强其对不同工作环境的适应能力。三是建设更大面积的激光雷达网络,其降低单个激光雷达的探测范围,提高激光雷达的探测精度,从而满足不同的大气环境监测要求。

五、总结

自激光雷达技术出现以来,其在大气环境监领域发挥的作用越来越大,虽然现阶段的激光雷达技术，已经可以基本满足不同的大气环境监测要求。但随着各国对大气环境监测要求的不断提高,激光雷达监测技术也需要进行相应的创新升级，来进一步提高大气环境监测的精确度以及适应性。在确保大气环境监测精确度的同时，也要提高激光雷达的使用效率以及气象预测能力,以便为大气污染防治提供更加准确的科技支撑。