大气臭氧探测激光雷达研制及其案例分析

摘" 要：该文研制一款基于差分吸收原理的臭氧激光雷达，由激光发射系统、光学接收系统、数据采集与处理系统组成，响应灵敏，分辨率高，能够实时获得对流层3 km高度臭氧浓度和消光系数的垂直分布特征，在大气环境监测以及环境保护决策支持等方面具有重要价值。结果显示，臭氧浓度在2 km以下存在明显的垂直分布和日变化特征，其中午间浓度高值分布高度在0.5 km以下和1.4～1.8 km之间，夜间存在臭氧残留分布高度在0.4～1.1 km。低空臭氧浓度日变化趋势与地面站点一致，夜间臭氧消耗程度弱存在残留。

关键词：臭氧探测激光雷达；技术原理；系统研制；监测结果分析；案例分析

中图分类号：TN958.98" " " "文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）32-0027-04

Abstract： In this paper， an ozone lidar based on the principle of differential absorption has been developed. It consists of a laser transmitting system， an optical receiving system， and a data acquisition and analysis system. It has sensitive response and high resolution. It can obtain the ozone concentration and extinction coefficient at a height of 3 km in the troposphere in real time. The vertical distribution characteristics are of great value in atmospheric environment monitoring and environmental protection decision support. The results show that there are obvious vertical distribution and daily variation characteristics of ozone concentration below 2 km， among which the height of the high concentration at noon is below 0.5 km and between 1.4～1.8 km， and the height of ozone residue at night is between 0.4～1.1 km. The daily change trend of low-altitude ozone concentration is consistent with that of ground stations， and ozone depletion is weak at night and there is residue.

Keywords： ozone detection lidar; technical principle; system development; monitoring result analysis; case analysis

臭氧是地球大气中一种至关重要的微量气体，其在平流层中能有效吸收太阳短波紫外线，对地球生物有着天然屏障的作用[1]。然而，在对流层特别是近地面环境中，高浓度的臭氧对人体健康、生态环境和气候变化产生负面影响。因此，准确、实时地监测臭氧分布及其变化情况，对于深入理解臭氧的生成机制[2]、评估空气质量状况[3]、预警臭氧污染事件以及制定科学的环保政策至关重要。

臭氧激光雷达作为一种先进的主动遥感监测技术，是臭氧垂直分布监测的重要工具。相较于传统的地面监测站，臭氧探测激光雷达具备诸多优势：非接触式直接监测反演臭氧浓度；实时快速捕捉臭氧层结构和污染事件，提供连续、立体的臭氧垂直分布数据；可获取高时空分辨率大气臭氧3 km高度垂直分布特征。目前臭氧探测激光雷达已广泛应用于大气环境监测，王馨琦等[4]利用臭氧激光雷达在广州市进行长期连续观测，分析臭氧日变化特征，解析了局地污染和区域传输不同臭氧污染模式的特征。项衍等[5]为利用臭氧激光雷达获取杭州市臭氧时空分布特征，同时结合WRF-Chem模式模拟臭氧时空特征和气象要素。He Yuanping等[6]基于臭氧激光雷达数据分析珠海市O3和PM2.5共同污染的相互作用机制。本文研制一款臭氧激光雷达，能够长期连续观测垂直高度臭氧的分布特征，极大地满足环境保护部门对臭氧污染状况的及时了解需求，为臭氧污染治理提供数据支撑。

1" 臭氧探测激光雷达工作原理

臭氧探测激光雷达是以激光为光源，通过激光与大气相互作用，产生包含气体分子和气溶胶粒子信息的信号，利用反演算法得到气体分子和气溶胶粒子的信息。采用差分吸收原理，大气臭氧探测激光雷达向大气中的发射波长接近的2束脉冲激光，其中一束激光的波长正处于臭氧吸收光谱的峰值上为λon，臭氧对它有较强的吸收；另一束激光的波长处于臭氧吸收光谱的边翼为λoff，对它吸收很小或没有吸收。由于这2个波长相互接近，其他气体分子和气溶胶对这2束激光的消光作用基本相同，可以忽略，从而根据2个波长回波信号强度的差异可以确定待测气体分子的浓度。臭氧探测激光雷达方程如式（1）所示

式中：N（z）为距离z处待测吸收气体的数密度，P（λi，z）为波长λi距离z处的激光回波信号，δ（λi，T）为波长λi温度T时的待测气体吸收截面。BA、EA、EM和Eother分别为大气后向散射、大气气溶胶消光、大气分子消光和其他吸收气体吸收引起的修正项，其中Eother一般忽略不计。

气溶胶消光系数反演方程如式（2）所示，基于米散射原理，根据激光雷达方程，经过积分、取自然对数以及求导等运算后，得到参考高度zc处以下各高度上的消光系数。

式中：Sa为气溶胶消光后向散射比，一般取50[7]；Sm为大气分子的后向散射比，一般取8π/3；αm（z）为距离z处大气分子消光系数；αa（z）为距离z处大气气溶胶消光系数。

2" 臭氧探测激光雷达系统结构

臭氧探测激光雷达由激光发射系统、光学接收系统、数据采集与处理系统3部分组成，雷达系统结构图如图1所示，主要技术指标参数见表1。

激光发射系统主要包括激光器、扩束器、拉曼管组等。激光器发射266 nm波长激光，通过拉曼管发生受激拉曼散射作用，分别产生289、316 nm激光。激光脉冲经扩束器放大、准直，再由反射镜发射至大气中，与大气中的颗粒物、分子等相互作用向各个方向发生散射。

光学接收系统主要包括望远镜、光阑、分光器件等。激光与大气相互作用产生的后向散射光被卡塞格林望远镜接收，回波信号汇聚于光阑，然后经过准直透镜、分光器件去除天空背景光干扰和分离2个波长信号，再通过光电倍增管将光信号转换为电信号。

数据采集与处理系统包括信号采集、控制单元和数据反演分析可视化呈现，主要包括探测器、采集卡、工控机和数据采集与处理软件等。转换后的电信号，经信号放大器放大，采集卡采集，通过数据分析软件反演臭氧浓度和消光系数廓线并进行可视化呈现。

3" 监测结果与分析

2023年7月开展臭氧激光雷达连续观测试验，获得垂直高度上臭氧浓度和消光系数的分布特征，监测方式为垂直固定监测，时间分辨率为10 min，高度分辨率为7.5 m。

图2、图3分别为臭氧激光雷达监测的臭氧浓度和消光系数等高线图，图4为同期同址近地面站点的污染物浓度时间序列图。由图4可知，17日—18日空气质量指数（AQI）大于100，环境空气质量均为轻度污染，首要污染物均为O3_8h。结合臭氧雷达进行分析，17日上午时间段地面臭氧浓度值低于0.3 km高度臭氧，地面臭氧滴定消耗作用强[8]。17日中午时间段臭氧浓度值逐渐升高，主要为本地光化学生成贡献，近地面与低空变化趋势一致，13时和17时出现2次峰值浓度，其中17时持续时间短，该时段近地面风速增大为5m/s，有利于西南风向污染物传输累积。夜间时段低空臭氧存在残留影响浓度值高于地面。

17日臭氧主要分布在1.8 km高度范围内，结合图5（a）臭氧浓度廓线分析，对流层内臭氧存在多层结构，午间时段高值分布高度在0.5 km以下和1.4～1.8 km之间，而早晚垂直分布则不同主要为残留臭氧，分布高度在0.4～1.1、0.5 km处浓度值最高。早晚没有光照的情况下，主要为臭氧消耗，近地面人类活动影响更频繁滴定消耗强，低空消耗弱，再者夜间边界层稳定垂直交换能力差则出现明显的分层现象。白天浓度过高影响夜间浓度值高于早晨。

18日凌晨低空0.5 km高度存在污染残留层，夜间边界层较为稳定，太阳出来后稳定层结破坏，垂直对流加强，残留臭氧存在向近地面沉降，导致地面臭氧浓度累积出现升高[9]。主要为本地生成及残留沉降累积。夜间时段20时左右出现次峰值，峰值持续时间短，风速减小，其与扩散条件密切相关，随后CO浓度持续上升，本地一次污染排放增加，滴定消耗能力加强，臭氧浓度值下降[10]。

18日不同时刻的臭氧浓度廓线图如图5（b）所示，受17日持续的臭氧浓度高值影响，18日早晨浓度值高与夜间时段相近，均在1.5 km高度存在臭氧残留层。探测高度方面，白天探测高度相对低，一是白天臭氧浓度高，激光雷达能量衰减快；另一方面是光学设备在白天会受到太阳光源的干扰。通过臭氧雷达监测可发现臭氧浓度变化较大的区域主要在近地层2 km高度范围内。

4" 结论

本论文主要研究一款基于差分吸收原理的臭氧探测激光雷达，由激光发射系统、光学接收系统、数据采集与处理系统组成，功耗低，体积小，时空分辨率高，响应灵敏，能够实时获得对流层3 km高度臭氧浓度和消光系数的垂直分布特征。结果显示，7月17日—18日2 km高度以下臭氧浓度垂直结构和日变化特征明显。其中午间臭氧浓度高值分布高度在0.5 km以下和1.4～1.8 km之间，夜间存在臭氧残留分布在0.4～1.1 km区间。18日上午存在污染气团沉降累积，与本地生成共同导致地面臭氧浓度峰值。监测期间低空臭氧变化趋势与地面站点一致，夜间低空臭氧消耗弱存在残留。

参考文献：

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[2] 石玉珍，王庚辰，徐永福，北京市城近郊区光化学烟雾模拟研究[J].气候与环境研究，2008，13（1）：84-92.

[3] 任丽红，胡非，周德刚，等.北京夏季近地层臭氧垂直变化及其环境效应的观测研究[J].中国科学院研究生院学报，2005，22（4）：429-435.

[4] 王馨琦，张天舒，裴成磊，等.差分吸收激光雷达监测广州市臭氧垂直分布特征[J].中国激光，2019，46（12）：279-287.

[5] 项衍，张天舒，范广强，等.基于差分吸收激光雷达和数值模式探测杭州夏季臭氧分布[J].光学精密工程，2018，26（8）：1882-1887.

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[8] 刘琳琳.差分吸收激光雷达观测淮南大气SO2和NO2浓度时空分布实验研究[D].合肥：中国科学技术大学，2019.

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[10] 秦龙，高玉平，王文秀，等.差分吸收激光雷达用于探测天津市夏秋季臭氧垂直分布特征[J].光学精密工程，2019，27（8）：1697-1703.