【摘要】 近年來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，引起了人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)的變化，同樣也使得因人類(lèi)活動(dòng)引起的大氣溶膠污染問(wèn)題變得越來(lái)越明顯，加之我國(guó)的氣候特點(diǎn)，在春季受到沙塵氣溶膠的影響，使大氣環(huán)境問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重。通過(guò)微脈沖激光雷達(dá)探測(cè)器能對(duì)大氣氣溶膠的演變規(guī)律和垂直分布的特征進(jìn)行很好地觀測(cè)，從而為控制城市大氣污染提供相應(yīng)參考。

【關(guān)鍵詞】 微脈沖 激光雷達(dá) 城市大氣 氣溶膠

傳統(tǒng)的激光雷達(dá)是利用大氣氣溶膠能對(duì)雷達(dá)激光進(jìn)行散射的特性，并在分析雷達(dá)探測(cè)器接收的其回波信號(hào)的量級(jí)大小來(lái)得到大氣的一些物理特征。因激光的發(fā)射波長(zhǎng)略小于氣溶膠粒子的尺度，且光探測(cè)器的靈敏度較高，故激光雷達(dá)是現(xiàn)階段觀測(cè)大氣污染應(yīng)用最廣泛的探測(cè)系統(tǒng)。微脈沖激光雷達(dá)是在傳統(tǒng)激光雷達(dá)的基礎(chǔ)上，將低脈沖的能量通過(guò)較高的重復(fù)頻率發(fā)射出去，這種探測(cè)器具有較高的信噪比，能在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠散射的定性測(cè)量，保證了探測(cè)時(shí)的準(zhǔn)確性。

一、何為大氣氣溶膠

大氣氣溶膠指的是懸浮于大氣中的空氣動(dòng)力學(xué)直徑在0.001～1.00微米間的微粒體系。其空氣動(dòng)力學(xué)的可定義為：與要研究的微粒有相同降落速度的球體直徑，這是由于在大氣中氣體溶膠微粒的形狀一般都是不規(guī)則的，采取空氣動(dòng)力學(xué)的直徑進(jìn)行定義，是一種有效的表示方式。

1.1大氣溶膠的分類(lèi)

大氣溶膠微粒按其空氣動(dòng)力學(xué)的直徑可分成如下的幾種：

第一種，飄塵，這是一種能在大氣中處于長(zhǎng)期漂浮狀態(tài)的懸浮物，其直徑一般小于10微米。

第二種，總懸浮顆粒物，能用顆粒采樣器在濾膜上收集到的總的顆粒物的質(zhì)量，其直徑大都在100微米以下。

第三種，可吸入式的粒子，此種粒子能通過(guò)呼吸過(guò)程進(jìn)入到人的呼吸道中。

第四種，細(xì)粒子，指動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5微米的顆粒物，也被成為PM2.5。

1.2大氣溶膠的組成

大氣溶膠的組成成分非常復(fù)雜，其中受到人類(lèi)活動(dòng)影響的組成成分主要有離子成分、痕累元素的成分和一些有機(jī)組成成分。

二、微脈沖激光雷達(dá)

微脈沖激光雷達(dá)的概念出現(xiàn)在1993年。微脈沖激光雷達(dá)的工作原理是向大氣中發(fā)出激光的信號(hào)，并在激光信號(hào)反射回來(lái)之后，分析回波中的信息，從而發(fā)現(xiàn)大氣中的一些物理特征。在此回波中，包含了大氣中對(duì)散射光的頻率和相位等方面的信息。利用這些豐富的回波信息，可以分析出大氣內(nèi)的很多物理特征，加之光探測(cè)器的靈敏度較高，因而，微脈沖激光雷達(dá)探測(cè)器對(duì)煙、塵等大氣中的微粒具有很好地探測(cè)作用。

2.1微脈沖激光雷達(dá)探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)

2.1.1能進(jìn)行連續(xù)工作的時(shí)間較長(zhǎng)

微脈沖激光雷達(dá)探測(cè)器中使用的是激光器是固態(tài)二極管類(lèi)型的激光器，會(huì)使得微脈沖激光雷達(dá)的工作壽命超過(guò)普通意義上的激光器雷達(dá)，同時(shí)，一年只需對(duì)其進(jìn)行正常的維護(hù)工作之后，就能在長(zhǎng)時(shí)間下連續(xù)運(yùn)行。

2.1.2具有脈沖能量低，且發(fā)射能量對(duì)人體不構(gòu)成威脅

此種激光器能以低脈沖含量采用較高的重復(fù)頻率方式將此脈沖能量集中在望遠(yuǎn)鏡的鏡片上，微脈沖激光器的發(fā)射能量低，在一定程度上保證了在監(jiān)視儀器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)觀察人員的人身安全，還能使系統(tǒng)在穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境中進(jìn)行工作。

2.2微脈沖激光雷達(dá)組成

微脈沖激光雷達(dá)主要由四部分組成：光學(xué)收發(fā)天線、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、激光發(fā)射系統(tǒng)以及探測(cè)器。

MPL發(fā)射接收處理器被安放在了一個(gè)恒溫室內(nèi)，光學(xué)收發(fā)天線是一個(gè)直徑為20cm的格林望遠(yuǎn)鏡，在望遠(yuǎn)鏡下方連結(jié)的是光電計(jì)數(shù)器。在發(fā)射接收器上連結(jié)的是計(jì)數(shù)器和激光發(fā)射器，接收器的另一端被連結(jié)在計(jì)算機(jī)上。

2.3微脈沖激光雷達(dá)探測(cè)的原理

微脈沖激光雷達(dá)將激光器所產(chǎn)生的激光脈沖直接發(fā)射到大氣中，大部分脈沖與大氣中的氣溶膠相互作用，發(fā)生散射，一小部分脈沖被后向散射，并被接收器進(jìn)行接收。接收器將接收到的能量傳輸?shù)焦馓綔y(cè)器上，光信號(hào)就會(huì)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。針對(duì)激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，由于接收到的后向散射光距離都不相同，在已知光速的條件下，記錄下從發(fā)出激光直到接收返回光時(shí)間上的間隔從而確定出激光雷達(dá)與發(fā)生散射物體之間的距離。另外，接收到的信號(hào)在經(jīng)過(guò)大氣雙向衰減之后，信號(hào)的強(qiáng)度便由大氣中的后向散射來(lái)決定，同時(shí)，也和所用激光器的波長(zhǎng)有關(guān)，與大氣中氣溶膠粒子數(shù)的大小和形狀也存在關(guān)系。通過(guò)對(duì)探測(cè)到的結(jié)果進(jìn)行反演，就能得出大氣中氣體溶膠的垂直分布情況和氣體的濃度的特性，以及云層高度等。

三、激光雷達(dá)對(duì)城市大氣氣溶膠污染的研究

激光雷達(dá)首次被應(yīng)用在對(duì)大氣的探測(cè)上是作為測(cè)量云高的儀器。直到1960年，隨著第一臺(tái)激光器被成功研制出之后，激光技術(shù)便在大氣探測(cè)中快速地應(yīng)用了。在激光技術(shù)不斷發(fā)展中，激光雷達(dá)因其高空間分辨率和高效性一直被作為探測(cè)大氣污染的工具。

激光雷達(dá)作為探測(cè)器在地基探測(cè)中的應(yīng)用最為廣泛，并對(duì)大氣氣溶膠和云結(jié)構(gòu)中的探測(cè)更具自動(dòng)化、小型化和網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)勢(shì)。國(guó)外的一些學(xué)者在激光雷達(dá)對(duì)氣溶膠的探測(cè)分析方面已經(jīng)做了很多工作。

有的應(yīng)用小波協(xié)方差方法對(duì)微脈沖激光探測(cè)器探測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到了更加準(zhǔn)確的結(jié)果；我國(guó)的學(xué)者徐赤東利用其自主研制的偏振式的微脈沖雷達(dá)探測(cè)器對(duì)廣州的大氣氣溶膠進(jìn)行了連續(xù)時(shí)間段的探測(cè)，并且在之后分析了一次污染在形成過(guò)程中的特征，從而證明了大氣污染等大氣中的消光物質(zhì)的有效性；潘鵠等利用激光雷達(dá)探測(cè)到的數(shù)據(jù)對(duì)上海的一次典型的灰霾天氣進(jìn)行了光學(xué)厚度和氣溶膠消光系數(shù)的比較分析，證明了激光雷達(dá)對(duì)大氣氣溶膠污染探測(cè)中的作用。

在激光雷達(dá)對(duì)空間的探測(cè)中，國(guó)外的學(xué)者研發(fā)了一臺(tái)具有較高分辨率的激光雷達(dá)探測(cè)器，同時(shí)，利用了一次模擬探測(cè)數(shù)據(jù)的方法分析了激光雷達(dá)對(duì)探測(cè)大氣中氣溶膠的可行性；其中，應(yīng)用最為廣泛的激光雷達(dá)是具有雙波長(zhǎng)的激光雷達(dá)CALIOP，研究者可利用此激光雷達(dá)探測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)大氣溶膠的退偏振度進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)，此種類(lèi)型的激光雷達(dá)探測(cè)器能有效地分析出大氣中氣溶膠的組成和垂直的高度信息。

四、微脈沖激光雷達(dá)探測(cè)大氣氣溶膠方法的分析

4.1探測(cè)所用的數(shù)據(jù)來(lái)源

在對(duì)微脈沖激光雷達(dá)探測(cè)器探測(cè)到的數(shù)據(jù)分析進(jìn)行時(shí)，其數(shù)據(jù)的采集一般是在一整年中的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在一年中的數(shù)據(jù)中選擇四個(gè)具有代表性的月份利用微脈沖激光器進(jìn)行連續(xù)地探測(cè)，通常設(shè)置的時(shí)間分辨率為30s，高度的分辨率為30m，與此同時(shí)，還要配合觀測(cè)站內(nèi)的另外有效數(shù)據(jù)對(duì)MPL觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)激光器探測(cè)的典型大氣氣溶膠污染相關(guān)過(guò)程進(jìn)行全面分析。

4.2對(duì)微脈沖雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)文件的校準(zhǔn)

后脈沖校正：MPL在對(duì)每個(gè)周期開(kāi)始進(jìn)行采樣時(shí)，由于在探測(cè)器內(nèi)部各種元器件間產(chǎn)生的散射效應(yīng)干擾，使探測(cè)器在開(kāi)始時(shí)就出現(xiàn)光飽和的現(xiàn)象。對(duì)探測(cè)結(jié)果造成影響。由于該項(xiàng)變量的函數(shù)受到出射激光能量、背景噪聲和其他因素共同的作用，不能靠直接經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)獲得，只能通過(guò)后期的修正來(lái)完成。故目前采用的解決辦法是將MPL系統(tǒng)放置在溫度變化不大的空間內(nèi)，同時(shí)每隔一段固定的時(shí)間對(duì)后續(xù)沖廊線進(jìn)行相應(yīng)測(cè)量，不斷對(duì)函數(shù)進(jìn)行更新校正。

重合因子校正：對(duì)重合因子進(jìn)行校正主要原因是為了補(bǔ)償由MPL在近端返回信號(hào)返回過(guò)程中造成的信號(hào)損失。但由于其光學(xué)影響的因素難以通過(guò)測(cè)量的方式進(jìn)行獲得，一般采用實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)進(jìn)行校正。

飽和因子的校正：由于雪崩型的光子計(jì)數(shù)器和實(shí)際在接受時(shí)存在一定的非線性響應(yīng)過(guò)程，也可以理解為在雪崩計(jì)數(shù)器達(dá)到其計(jì)數(shù)的上限時(shí)，探測(cè)器就不能準(zhǔn)確記錄光子數(shù)目，造成對(duì)返回信號(hào)記錄上的損失。為了彌補(bǔ)在計(jì)數(shù)率高時(shí)雪崩型計(jì)數(shù)器造成的飽和效應(yīng)，在探測(cè)器出廠之前，廠家都要對(duì)其進(jìn)行飽和因子的校正。

五、微脈沖激光器對(duì)探測(cè)大氣氣溶膠的發(fā)展展望

第一，微脈沖激光器在進(jìn)行數(shù)據(jù)反演計(jì)算中，在計(jì)算大氣氣溶膠的消光系數(shù)時(shí)，因受到當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件所限，通常會(huì)引入誤差因子Sa，并假定大氣氣溶膠化學(xué)組成不發(fā)生變化，將Sa=50sr帶入相應(yīng)公式進(jìn)行計(jì)算。在以后的研究中，要對(duì)Sa進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和標(biāo)定，從而在計(jì)算時(shí)能夠獲得比較準(zhǔn)確的反演參數(shù)，在最大程度上使微脈沖激光雷達(dá)研究變得更加完善。

第二，在進(jìn)行微脈沖激光雷達(dá)探測(cè)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，數(shù)據(jù)要具有廣泛性，可以針對(duì)多個(gè)城市的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而使得探測(cè)的結(jié)果更具有代表性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，也能對(duì)城市中大氣氣溶膠的污染狀況獲得更加全面的了解。

六、結(jié)語(yǔ)

由于大氣污染問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重，人們對(duì)此問(wèn)題也越來(lái)越重視，在微脈沖激光雷達(dá)探測(cè)大氣氣溶膠方面，目前已經(jīng)建立了較完善的系統(tǒng)和方法，但在消光散射比方面的研究還沒(méi)有做到最好，主要是現(xiàn)存的資料不能滿(mǎn)足研究的需要。在今后的研究中要多在此方面加大研究的力度。微脈沖激光雷達(dá)探測(cè)器具有低信噪比、靈敏度高等方面的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于探測(cè)大氣污染具有十分重要的作用和意義。相信，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，微脈沖激光雷達(dá)探測(cè)器中存在的問(wèn)題會(huì)被我們逐漸解決，使得這一技術(shù)變得更加成熟和完善，使之能夠?yàn)榇髿馕廴颈O(jiān)測(cè)做出更大的貢獻(xiàn)，到時(shí)也會(huì)出現(xiàn)更多有意義和價(jià)值的研究課題供我們進(jìn)行深入研究。