◎文/劉宏 孔祥鑫 潘煥雙 鄒慶尊 曹永

（安徽藍盾光電子股份有限公司淮南市環(huán)境保護監(jiān)測站）

環(huán)境污染防治已被國家列為重點工作，大氣污染防治尤為重要，因為它直接關系到每個人的身心健康。大氣污染監(jiān)測的設備種類很多，可以將其分為近地面監(jiān)測設備和高空探測設備。目前，在環(huán)境監(jiān)測領域里，比較常用的高空探測設備可以根據(jù)其原理和主要監(jiān)測成分分為測量氣溶膠、煙羽、云等成分的米散射激光雷達（以下簡稱大氣氣溶膠激光雷達），測量痕量氣體、氣溶膠、水氣等成分的拉曼散射激光雷達，吸收效應原理的O3監(jiān)測激光雷達，Doppler效應的風速風向激光雷達（以下簡稱風廓線激光雷達）等。風廓線激光雷達分別與前述三種激光雷達組合使用，用于確定監(jiān)測成分的輸送方向。下面重點介紹一種能夠全方位掃描的大氣氣溶膠監(jiān)測激光雷達。

一、探測原理

由Nd:YAG激光器所產(chǎn)生的激光為光源垂直或水平發(fā)射到大氣中，并與大氣成分相互作用，產(chǎn)生物理、化學及光學信息等輻射信號，此輻射信號是反演大氣成分相關信息的主要依據(jù)。也就是通過接收系統(tǒng)接收大氣介質(zhì)中球形粒子和非球形粒子后向散射的回波信號來反演大氣氣溶膠、沙塵粒子、云等的結(jié)構(gòu)和光學參數(shù)。球形粒子后向散射為線性偏振，非球形粒子則不再是線偏振光，而是由平行和垂直的兩個偏振分量，如沙塵和卷云，通過這兩個分量并可測量粒子的退偏振特性。為此，該監(jiān)測原理可由下列公式[1]表示：

式中，λ為所發(fā)射的激光波長（nm）；下標p與s分別表示后向散射光偏振方向與發(fā)射激光偏振方向平行及垂直的兩個方向；Pzp(z,λ)及Pzs(z,λ)分別表示激光雷達接收系統(tǒng)所接收的高度（距離）為z處的大氣介質(zhì)在波長λ上的后向散射的平行偏振分量及垂直偏振分量的回波功率（W）；Pt（λ）是波長為λ的激光發(fā)射功率（W）；βp(z,λ)及βs(z,λ)分別是高度（距離）為z處的大氣介質(zhì)在波長λ上的后向散射系數(shù)的平行偏振分量及垂直偏振分量（km-1·sr-1）；kp及ks都表示雷達系統(tǒng)常數(shù)（W·km3·sr）,前者代表平行偏振分量值，后者代表垂直偏振分量值；αp(z,λ)及αs(z,λ)分別是高度（距離）在z處大氣在波長λ上的消光系數(shù)的平行偏振分量及垂直偏振分量(km-1)；Prp(z,λ)和 Prs(z,λ)分別為從望遠鏡到距離 z處各大氣分子后向散射的回波功率的平行與垂直的兩個偏振分量；δ(z,λ)為大氣退偏振比。

二、主要組成及作用

目前，國內(nèi)用于環(huán)境領域的氣溶膠監(jiān)測激光雷達的組成基本都是由激光發(fā)射模塊、光學接收模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、系統(tǒng)控制模塊等組成。該雷達能夠?qū)崿F(xiàn)全方位掃描，所以增加了垂直旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)及水平旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。圖1為激光雷達的組成及探測原理示意圖。

激光發(fā)射模塊主要部分是Nd:YAG激光器，所發(fā)射出的激光波長為1064nm、532nm和355nm，再配置擴束鏡和發(fā)射光路等光學器件,將激光發(fā)射到大氣中。圖1中θ為激光器發(fā)射光束的發(fā)散角。

光學接收模塊主要由望遠鏡及后繼光學等組成。望遠鏡的類型為卡塞格林望遠鏡，也就是使后向散射光依次進入主鏡（球面鏡）、反射到次鏡（凸面鏡）、反射穿過主鏡中心的孔洞，匯聚在主鏡后方的焦平面上，進入后繼光學單元進行分光。圖1中，ω為望遠鏡的視場角，序號1和2分別表示大氣中球形粒子和非球形粒子，z表示大氣粒子至望遠鏡的距離。當激光照射到非球形粒子時，其后向散射的回波信號與發(fā)射激光偏振方向平行和垂直的兩個偏振分量通過后繼光學將其分開，其回波功率在圖1中分別用P11和P⊥表示，也就是前面公式中提到的Pzp(z,λ)及 Pzs(z,λ)。

信號采集模塊是由信號探測器（PMT）、高壓模塊、采集卡等組成，用以采集三個波長大氣后向散射回波信號，將其光信息轉(zhuǎn)換成電信號并進行放大處理。

數(shù)據(jù)分析模塊主要由工控機、A/D轉(zhuǎn)換模塊、算法及分析軟件等組成。被轉(zhuǎn)換的電信號經(jīng)過前置放大后進入采集卡進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供工控機的軟件處理，通過相關反演算法將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為可讀性高的圖譜，并通過顯示器顯示。

系統(tǒng)控制模塊是由工控機及控制軟件組成，主要對激光器開關、望遠鏡的垂直旋轉(zhuǎn)與水平旋轉(zhuǎn)、回波信號的接收與采集、數(shù)據(jù)的分析等進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，包括附加的天窗吹掃及加熱除濕等。

圖1 激光雷達的組成及探測原理示意圖

三、數(shù)據(jù)采集與分析

該雷達于2017年10月、11月在安徽淮南及淮北兩地進行了實地監(jiān)測，進行了水平360°掃描監(jiān)測污染源分布應用和垂直探測氣溶膠時空分布應用。

1.水平360°掃描監(jiān)測污染源分布應用

利用本氣溶膠激光雷達，于2017年10月21日9:15至10:15時段在淮南市的八公山區(qū)進行了水平360°掃描監(jiān)測，雷達掃描的有效半徑為5.18km。掃描結(jié)果如圖2所示。

圖2 激光雷達水平360°掃描氣溶膠結(jié)果圖

結(jié)合激光雷達水平360°掃描圖譜（見圖2），可以清楚地看到在儀器安放點位（圓中心）的西南角存在明顯的片狀污染源（紅色部分）。結(jié)合軟件GIS可以看到，片狀污染的下方是大面積的采石場區(qū)域。通過實地考察取證，現(xiàn)場采石作業(yè)繁忙，作業(yè)引起的揚塵顆粒明顯，并向高空及四周擴散，因此最終導致雷達監(jiān)測到片狀污染區(qū)域。

2.垂直探測氣溶膠時空分布應用

結(jié)合本設備的垂直探測（垂直朝向高空）方式，于11月10日0:19至8:25時段，在淮北市進行了駐點觀測。激光雷達觀測結(jié)果如圖3所示。

圖3為淮北市的11月10日氣溶膠雷達定點監(jiān)測顯示的532nm的消光與退偏圖譜。凌晨1:00左右淮北市上空1.1～1.6km高度層開始逐漸出現(xiàn)高空污染輸送層。隨時間推移，高空輸送層逐漸加重，并從凌晨5:00開始逐漸向近地面沉降。凌晨7:00污染快速沉降，且濃度也加重。通過退偏圖譜來看，淮北市監(jiān)測期間退偏較大，說明上空污染主要為表面不規(guī)則顆粒物。

圖3 淮北駐點垂直觀測氣溶膠時空分布圖

圖4 真氣網(wǎng)發(fā)布淮北市2017年11月10日AQI變化曲線圖

圖4為真氣網(wǎng)發(fā)布的淮北市地面空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)說明，在2017年11月10日6:00空氣質(zhì)量由良逐漸演變?yōu)檩p度污染，并快速演變至中度污染，1小時內(nèi)再次上升為重度污染。

圖5 2017年11月10日NOAA衛(wèi)星監(jiān)測到淮北市上空后向軌跡圖

結(jié)合10日的NOAA衛(wèi)星的后向軌跡圖（見圖5）數(shù)據(jù)來看，污染氣團主要來自西北方向，西北方向近地面的污染隨氣團不斷上升，至10日凌晨左右傳輸至淮北上空。

四、結(jié)論

通過儀器設備的實地監(jiān)測應用說明，本款氣溶膠激光雷達在水平掃描監(jiān)測時，能快速有效地尋找到污染源的排放地點；在垂直探測應用時，能夠有效地監(jiān)測出氣溶膠污染濃度的時空分布，并能完整地呈現(xiàn)污染團的整個演變過程，同時結(jié)合退偏圖譜能有效地判斷出氣溶膠的規(guī)則形狀，如此為環(huán)境監(jiān)測部門提供有效的數(shù)據(jù)支撐，是一款非常實用的遙感監(jiān)測設備。同時，這種遙感監(jiān)測技術手段也彌補了現(xiàn)階段高空氣溶膠實時濃度分布監(jiān)測技術的空白。