激光雷达探测大气气溶胶研究进展

激光雷达探测大气气溶胶研究进展周军（中国科学院大气成分与光学重点实验室，合肥市230031）摘要本文分析了米散射（Mie）激光雷达、拉曼（Raman）激光雷达、高光谱分辨激光雷达（HSRL）及偏振（Polarization）激光雷达在大气气溶胶探测研究中的特点及其应用进展。

随着激光技术、光学机械加工技术、信号探测与采集技术的发展和新的探测原理与方法的涌现，大气气溶胶探测激光雷达取得了长足的技术进步。

激光雷达由单波长单功能向多波长多功能发展；由仅仅夜晚探测向白天夜晚连续探测发展；由需要人工干预向着无人值守自动化运行发展；由实验室的研究设备型向商业化产品型转化。

对于大气气溶胶光学参数、微物理参数和气溶胶分类的探测研究，需要定量地获取多波长大气气溶胶消光系数、后向散射系数及退偏振比等光学参数，如2α（355nm，532nm）+3β（355nm，532nm,1064nm）+2δ（355nm，532nm）等。

为此，研制被称之为Next generation aerosol lidar的多波长Raman/HSRL-Mie-Polarization激光雷达系统为激光雷达界所关注。

为了适应区域性和全球气候与环境变化对大气气溶胶三维空间分布和时间演变资料（4D）的需求，近些年来，先后建立了区域性的地基大气气溶胶激光雷达观测网（如EARLINET、AD-Net等）。

国际气象组织（WMO）正在此基础上组建全球大气气溶胶激光雷达观测网,G AW A esosol LI dar O bservation N etwork(GALION)。

同时，气溶胶激光雷达的支撑平台也由地基向机载（如国家航空遥感系统）和星载（如CALIPSO）方向发展。

关键词激光雷达、大气气溶胶、气溶胶观测网1. 气溶胶激光雷达的功能2008年10月世界气象组织（WMO）发布的GAW Report No.178《Plan for implementation of the GAW Aerosol Lidar Observation Network GALION》文件中明确地给出了各种类型的激光雷达探测大气气溶胶的功能[1]，如表1所示。

表1.各种类型的激光雷达探测大气气溶胶（云）的功能。

表 1 中的 BL 为 Mie 散射激光雷达；SPM 为太阳光度计；DL 为偏振激光雷达；RL 为 Raman 激光雷达；HSRL 为高光谱分辨激光雷达；MRL 为多波长 Raman 激光雷达。

2. 大气气溶胶激光雷达2.1 Mie 散射激光雷达（BL ）Mie 散射激光雷达接收的大气后向散射回波信号可以表示成如下 Mie 散射激光雷达方程 形式，1z P (z ,λ ) = K β(z ,λ ) exp{−2 α(z ' ,λ )dz '} ∫z （1）L L L2 L L z 0 式中，P L (z,λL )是激光雷达接收的高度 z 处的大气后向散射回波功率(W)；λL 是激光波长（n m ）；K L 是激光雷达系统常数（W.km 3.sr ）；β(z,λL ) 是 高 度 处 的 大 气 在 波 长 λL 上 的 后 向 散 射 系 数 (km -1·sr -1) ， β(z,λL )=βm (z,λL )+βa (z,λL )，βm (z,λL )和βa (z,λL )分别是空气分子和大气气溶胶的后向散射系数；z α(z,λL )是高度 z 处的大气在波长λL 上的消光系数（km -1），α(z,λL )= αm (z,λL )+ αa (z,λL )，αm (z,λL )和αa (z,λL )分别是空气分子和大气气溶胶的消光系数；z 0 是激光雷达所在的高度（km ）。

在 Mie 散射激光雷达数据处理中，使用 Fernald 方法反演大气气溶胶后向散射系数或消光 系数垂直分布[2]： βa (z ,λL ) = −βm (z ,λL ) +z X (z ,λ ) exp[−2(S − S ) β (z ' ,λ )d z ' ] ∫z （2） L 1 2m L c X (z c ,λL ) ' z X z 1 ∫z z ' 2 )∫z βm ( ,λL ) z '' d z '' d z ' − 2 )S ( ,λL ) exp[−2( S 1 − S ] β (z ,λ ) + β (z , λ c c a c L m c L 式中X(z,λL )=P(z,λL )Z 2 。

为此，必须事先做出以下三个假设：假设气溶胶的消光后向散射比（激光雷达比）S 1为一不随高度变化的常数；空气分子的消 光后向散射比S 2为8π/3 Sr 。

空气分子的后向散射系数βm (z ，λL )和消光系数αm (z ，λL )通过实际大气中温压湿气象探空 资料或使用温压湿标准大气模式，获得空气分子的密度，再由分子Rayleigh 散射理论计算得到；在对流层顶附近搜索一个气溶胶含量相对较少的高度作为标定高度Z C ，并假设标定高度 上的气溶胶的散射比为已知，作为（2）式中的边界值。

这些假设值将给反演的大气气溶胶后向散射系数的误差为10%左右，给反演的大气气溶胶 消光系数的误差为50%左右。

Mie 散射激光雷达的优点是结构简单、成本低、技术成熟、自动化程度高、探测跨度可以 覆盖整个对流层或平流层，能够实现白天与夜晚的连续探测。

能够较好地获得大气中各种层 结构的垂直分布和时间演变特征。

缺点是由于 Mie 散射激光雷达方程中同时存在大气气溶胶 的消光系数和后向散射系数，为了求解方程必须假设两者之间满足某种已知的关系，这种假 设会给反演结果带来较大的误差，特别是反演的大气气溶胶消光系数往往会有较大的误差。

Mie 散射激光雷达已经有商业化的产品，而且被广泛应用到大气气溶胶探测中，如国际上 微脉冲激光雷达网（MPLNET ）和亚洲沙尘网（AD-NET ）等激光雷达网中采用的就是 Mie 散 射激光雷达。

星载激光雷达 CALIOP 也是一台带偏振检测通道的 Mie 散射激光雷达[3]。

对于平流层气溶胶的测量，目前也主要依靠 Mie 散射激光雷达。

2.2 拉曼激光雷达（RL ）Raman 散射激光雷达方程为，P (z ,λ ) = K N (z ) d σN (λ ,π) exp{− z [α (z ' ,λ ) +α (z ' ,λ )]dz '} 1∫z R R R N 2 L m L m R 2 z d Ω 0 (3)z exp{− [α (z ' ,λ ) +α (z ' ,λ )]dz '} ∫z a L a R 0 式中，P R (z, λR )是激光雷达接收的高度 z 处的氮气分子 Raman 后向散射回波功率（W ）；K R 为 Raman 激光雷达系统常数（W.km 3.sr ）；λL 和λR 分别是发射波长和 Raman 散射波长（nm ）；N N2(z)是高度 z 处的氮气分子的数密度（cm -3）；d σN (λL ,π)/d Ω是氮气分子在波长λL 上的后向 Raman 散射截面（cm 2 sr -1)； αm (z,λL )和αm (z,λR )分别是高度 z 处的空气分子在波长λL 和λR 上的消光系数（km -1）； αa (z,λL )和αa (z,λR )分别是高度 z 处的大气气溶胶在波长λL 和λR 上的消光系数（km -1）； z 0 是激光雷达所在的高度（km ）。

对于拉曼激光雷达（RL ），求解大气气溶胶消光系数αa (z,λL )如下式所示[4]：N (z ) d N 2 ln −α (z ,λ ) −α (z ,λ ) dz P (z ,λ )z 2 m L m R α (z ,λ ) = R R （4）a L λ L )k1+ ( λR 式中氮气分子的数密度 N N2(z)和空气分子的消光系数αm (z,λL ),αm (z,λR )的垂直分布可以从 当地（或附近）的适时气象探空资料或者历史气象探空资料中获得。

Raman 激光雷达的优点是能够比较精确地测量大气气溶胶的消光系数、后向散射系数和 激光雷达比。

缺点是 Raman 回波信号微弱，比米散射或大气分子的瑞利散射信号小 3-4 个数 量级。

因此，Raman 激光雷达白天探测大气气溶胶的高度受到限制，一般在夜晚进行观测， 另外，为了提高回波信号的信噪比，需要对回波信号进行较长时间的累积平均，这在一定程 度上限制了其时间分辨率。

Raman 激光雷达主要用于测量大气边界层与自由大气中下部大气 气溶胶层和云层中的消光系数和激光雷达比。

拉曼激光雷达的结构也比较简单，成本比较低，但是对激光器输出的激光波长、脉冲能 量和重频以及接收望远镜的口径等的要求都比 Mie 散射激光雷达要高。

Raman 激光雷达的探测大气气溶胶后向散射系数的误差为 5 %左右，探测大气气溶胶消光 系数的误差为 10%左右。

由于 Raman 激光雷达探测大气气溶胶与云的精度比较高，是目前世 界气象组织和国际激光雷达委员会推荐的一种大气气溶胶与云的激光雷达技术。

在计划建立 的全球大气气溶胶激光雷达观测网 GALION 的实施计划中，明确规定骨干站必须装备 Raman 激光雷达系统[1]。

欧共体基于地基 Raman 激光雷达，组建了欧洲气溶胶观测网 EARLINET ， 用于测量、研究大气气溶胶的光学性质，该激光雷达网的最终目标是要建立气溶胶气候学。

2.3 偏振激光雷达偏振激光雷达是通过探测非球型粒子后向散射光的退偏振特性来研究粒子的形态的，是 一种研究卷云和沙尘气溶胶等大气非球形粒子形态的有效工具。

大气中的沙尘粒子和卷云粒 子都是典型的非球形粒子，当一束线偏振激光照射到这些非球形粒子时，其后向散射光将不再是线偏振光，探测其后向散射光中的垂直分量和平行分量，可以获得粒子的退偏振特性。

偏振激光雷达探测气溶胶粒子的退偏振比δ（z ,λ) 可表示为[5]：δ(z ,λ) = βs (z ,λ) = k (λ) P r s (z ) (5)βp (z ,λ) P r p (z ) 式中， k (λ)=k p (λ)/k s (λ) ,为平行分量和垂直分量两个通道的增益常数比 k (λ) ，即标定因子， 它包含了激光雷达系统的退偏振效应和两个通道不同的探测效率等，可以使用非偏光源法、空气分子法和1/2波片法等来测定k (λ)[6]。

这样，通过分析偏振激光雷达接收到的各个高度处大 气后向散射回波功率的平行分量P r p (z ,λ)和垂直分量 P r s (z,λ)以及标定因子 k (λ)，利用（5）式，就 可以获得大气退偏振比的垂直分布廓线 δ(z ,λ) 。