多波段激光雷达颗粒物质量浓度探测方法

第38卷，第4期 光谱学与光谱分析V o'38,N o.4,ppl025-1030 2 0 18 年 4 月Spectroscopy and Spectral Analysis April，2018多波段激光雷达颗粒物质量浓度探测方法饶志敏，何廷尧"，华灯鑫，陈若曦西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西西安710048摘要为了获得大气颗粒物的质量浓度廓线，提出一种基于多波段激光雷达回波信号的大气气溶胶消光系数与颗粒物质量消光效率相结合的新型算法。

该方法利用覆盖紫外到近红外波段的激光雷达作为遥感探测工具，获取气溶胶的消光与后向散射系数，反演得到气溶胶粒子谱分布％同时，根据米散射理论算出气溶胶消光效率，结合粒子谱分布，提出颗粒物质量消光效率模型，从而建立基于消光系数与质量消光效率相结合的反演颗粒物质量浓度的新型数学模型与算法。

采用该算法对两组不同天气条件多波段激光雷达实测数据进行反演，并与地表采用的颗粒物浓度对比，证明该方法的可行性，为实现颗粒物质量浓度空间分布的探测提供科学依据和方法论。

关键词气溶胶％多波段激光雷达％质量消光效率％颗粒物的质量浓度中图分类号：T N958.98 文献标识码：A D O I：10. 3964/j.issn. 1000-0593(2018)04-1025-06引言在大气科学中，把大气介质和混合于其中的尘埃、烟 雾、冰晶、花粉等粒径为0.001〜100 的悬浮固体或液体颗粒组成的体系称为气溶胶[1]。

气溶胶主要分布在对流层，它影响着大气的辐射平衡、化学过程、区域乃至全球的气候及环境变化。

受气象条件和人为排放的影响，气溶胶的形状、成分等在大气中随地点和高度的不同变化很大23]。

目前，对大气颗粒物质量浓度的检测主要采用直接测量和间接等效测量方法，包括采样称重法、卩射线法、T E O M 颗粒物质量监测仪等M。

这些测量基本都还局限于点测量或者空间网格式分布测量。

受气象条件以及其他人为因素的影响!大气颗粒物质量浓度空间分布变化很大!点测量获得的信息不足以完整地反映颗粒物在大气中停留和传输的物理过程。

另一方面，激光雷达作为大气气溶胶探测的有力工具57]，在大气气溶胶光学特性探测方面具有其他探测手段无法比拟的优势，是观测颗粒物时空分布的有效手段[811]。

在边界层结构、气溶胶消光系数反演等领域，激光雷达探测技术也已经非常成熟，实现了数十米至十几公里大范围的气溶胶消光和后向散射系数空间分布高时空分辨率探测[12_13]。

但在颗粒物质量浓度的探测上，目前尚未有成熟的激光雷达 探测方法。

近年来，我国在颗粒物的监测上有了较大进展，通过实验观测获得了我国部分地区的气溶胶成分、数浓度、质量浓度等重要数据[14]。

然而，大范围、大尺度的颗粒物质 量浓度空间连续分布的监测技术仍不太成熟。

针对当前颗粒物质量浓度局限于点测量，大尺度空间分布测量技术还不太成熟的难题，本文提出利用覆盖紫外到近红外波段的多波段激光雷达对气溶胶进行探测!通过气溶胶 粒子谱分布和消光效率反演及分析!获得颗粒物质量消光效率（m a s s extinction efficiency，M E E'并结合不同波段的消光系数反演得到颗粒物质量浓度廓线，构建激光雷达定量探测颗粒物质量浓度的理论和方法，拓展及提升激光雷达的应用能力。

1理论分析1.1多波段激光雷达系统多波段激光雷达结构原理如图1所示，系统主要由发射 系统，接收系统，分光系统以及数据处理系统四部分组成。

系统采用N d r Y A G固体激光器作为激励光源，同时发射1 064,532和355 n m的激光脉冲"为了提高系统在低层大气的探测能力，减小探测盲区，发射和接收系统采用同轴结构。

激光器发出的脉冲经过倍频、整形和扩束后由反射镜射向大气％多波段脉冲与大气中物质相互作用后产生散射现象，由望远镜接收后向散射信号，随后信号经透镜准直后发收稿日期：2017-04-10,修订日期：2017-09-02基金项目：国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（41627807)和国家自然科学基金项目（61675167, 41405028)资助 作者筒介：饶志敏，1987年生，西安理工大学机械与精密仪器工程学院博士研究生 e-mail: 1805695165®" com "通讯联系人 e-mail:tingyao.he@ cn1026光谱学与光谱分析第38卷射进人分光系统，经分光镜（B S1)、滤光片（I F1)以及分光镜(B S2)、滤光片（IF2)分光和滤波后，355和532 n m波长的信号分别进人P M T(光电倍增管）探测器，106#n m波长的信号经滤光片（IF3)进人A P D(雪崩二极管）探测器；探测器将光信号转变为电信号后由示波器对信号数据进行采集，最后由计算机进行数据反演分析，从而获得大气参量的高度分布。

多波段激光雷达系统主要参数如表1所示。

Fig. 1Schematic of the multi-wavelength lidar system表1多波长激光雷达系统主要参数Table 1Specifications of the multiple wavelength lidar系统激光波长脉冲能量脉冲频率 脉冲宽度 光束直径 光束发散角 望远镜直径B S1___________参数值____________ 355 n m/532 n m/1 064 n m100 m j@355 n m/300 m j@532 n m/500 m j@1 064 n m10 H z@355 n m/532 n m/1 064 n m0. 5mrad250 m m0.998(反射率）@355 n m0.997(透过率）"532 n m/1 064 n mB0.995(反射率）@532 n m0. 995(透过率）"1 064 n mIF1/IF2/IF33n m@355 n m/532 n m/1 064 n m1.2颗粒物质量浓度反演算法流程基于多波段激光雷达遥感数据反演颗粒物质量浓度的算 法总体流程如图2所示。

首先，通过传统的算法（Klett，F er-n a l d法）反演得到不同波长的的气溶胶消光系数廓线；其次，基于粒子谱算法反演得到颗粒物粒子谱分布特征，结合由米 散射理论求得的特定波长下的气溶胶消光效率可以得到颗粒物质量消光效率（M E E)。

最后，通过气溶胶消光系数与质量消光效率相结合的方法，计算出颗粒物的质量浓度。

1.3消光效率的计算根据米散射理论可知，将某光学参数的效率与球形粒子的最大几何截面之比定义为米效率表达式如式（1)[15]式a)中，）为散射截面，表示粒子散射光的总能量等于数值为）的一块面积从人射光中截取的能量％>可代表消光(ext)，吸收（abs)，散射（sea)或后向散射（）。

消光效率可表 示为Qext "#(2n$1)Re(an$bn)()« n=1式（2)中，5n与b n均为复函数，代表了从边界条件得到的米散射参数，且由米散射理论可知，与b n可以通过粒子复折 射率m、尺度数《的相关函数式计算获得。

如图3所示，通 过仿真计算，得出355 ,532和1 064 n m三个波段的消光效率随粒子半径变化的分布情况％其中，复折射率m=1. 33C 0.00>，粒子半径变化范围为0. 01〜10 p m。

图2颗粒物质量浓度反演算法流程图Fig.2 Calculation steps for inversion ofparticulate matter mass concentrationFig.3 Changes of extinction efficiencywith the particle radius1.4气溶胶粒子谱分布反演气溶胶粒子的散射特性依赖于人射激光的波长，因此利 用355〜1 064 n m波段范围的激光能够有效探测气溶胶粒子谱分布。

由米散射理论可知，气溶胶粒子的消光系数与其数密度有着直接的关系，波长为A的气溶胶光学参数与气溶胶粒子谱之间满足第一类F r e d h o l m积分方程#6]gp(A) ")36ext(r，A，m)*d r(3)4r dr式（3)中，g表示光学参量，r气溶胶粒子半径，m复折射率，A波长，*r)球形粒子的体积分布函数，球形粒子消光效率。

当各参量满足式（）第#期光谱学与光谱分析10273K p(r! !? rn) =Qext(2?A?m)&4)#r则有式（）gp(A) ")m'i X K p(r?A?m)(>)r m i n由数值分析的方法可知，体积谱分布可以通过利用B样 条函数乘以一个系数因子的方法去近似9* =#v n B n(r) $£(r)(6)式（6)中，&表示样条函数的个数，7(r)为计算误差。

当计算 误差趋于无限小时，球形粒子的体积分布可表示为d* =^#v&Bn(r)(7)将式（7)代人式（5)中，即可得到式（8)gp(A) "#A n(m)v&(8)其中Apn(m)v&可表示为式（9)Vm?i xA pn(m) =K p(r，m)Bn(r)dr(9)r m i n如果用矩阵方程的形式表示式（8)可得g =Aw(10)式（10)中，g为p行列向量，$为n行列向量，A为p X n的矩阵。

将式（10)化简如下w X A1g(11)将式（11)正则化后可得到Wn " (A T A$%)—#"(12) 1.5颗粒物质量浓度计算颗粒物质量消光效率（M E E)表征的是对于任意给定的粒子谱分布和激光波长，单位体积内的消光系数与颗粒物质量浓度的比值，是粒子谱分布特性和消光效率的函数$r2Q ext(r，A，m)n(r)drM E E "r(13)r3n(r)dr3 r m i n式（13)中，p为粒子标准密度，p x/J •c m-3)。

由式（13)可知，计算所得的M E E与粒子谱分布情况、负折射率m*激光波长A以及粒子半径变化范围[r@m，r@a x]有关。

最后，通过气溶胶消光系数与质量消光效率相结合获得颗粒物的质量浓度，如式（14)所示2实验验证利用多波段激光雷达系统开展晴天、雾霾天气条件下实验观测，计算出气溶胶颗粒物分布变化特征以及对应的颗粒物质量消光效率、颗粒物质量浓度，分析检验方法的可行性。

2.1 晴朗天气2014年7月2日西安地区天气晴朗，根据西安市环境保 护局公布的数据，该日空气质量二级（良），地表观测的P M m 和P M2.5颗粒物质量浓度日平均值分别为81和37 •m-3。