Raman雷達測量氣溶膠消光系數(shù)

摘 要：文章主要介紹了激光雷達的原理和氣溶膠的概念，闡述了Raman激光雷達探測氣溶膠消光系數(shù)的基本原理和計算步驟，分析得出氣溶膠消光系數(shù)的變化與氣溶膠的垂直分布，并對其中可能產(chǎn)生的誤差及該探測方法的優(yōu)缺點做一簡要分析討論。

關(guān)鍵詞：激光雷達；Raman散射；氣溶膠消光系數(shù)

1 研究背景

激光雷達在近50年來應(yīng)用日趨變大，作為一種較為便利、可探測的時間分辨率及空間分辨率較高的主動遙感探測工具和技術(shù)，已被運用于很多方面，主要包括地理、物理、生物、天文、軍事等，也是一種對大氣的探測和檢測十分有效的技術(shù)。

隨著人類的進步和工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)排放的固液態(tài)微小粒子不斷進入到大氣中，使大氣氣溶膠的含量日益增長，由于氣溶膠對天氣氣候和人類的生存有著非常密切的聯(lián)系，所以如何檢測大氣氣溶膠的含量并有效的控制在當(dāng)下已經(jīng)成為一個很重要的任務(wù)。而其中多種對氣溶膠光學(xué)特性的觀察方法中目前最為成型并且利用廣泛的應(yīng)屬利用Raman激光雷達進行觀測，本文將基于眾學(xué)者的研究成果繼續(xù)開展Raman激光雷達對氣溶膠消光系數(shù)的研究。

2 氣溶膠的定義

氣溶膠粒子是懸浮于大氣中的多種固態(tài)和液態(tài)的微小顆粒物，其直徑大小在0.001μm到0.1μm之間。氣溶膠顆粒主要有固態(tài)和液態(tài)兩種，其中固態(tài)顆粒的氣溶膠被稱作煙，液態(tài)顆粒的氣溶膠被稱作霧。

氣溶膠在對天氣系統(tǒng)的影響中有很重要的作用，它主要能夠從兩個方面影響天氣和氣候。一方面它可以將太陽光反射到太空中，使大氣降溫，同時也降低大氣能見度，另一方面能通過微粒的散射、漫反射以及吸收一部分的太陽輻射，減少地面長波輻射向太空的輻射，從而使大氣升溫。另外，氣溶膠進入大氣中成為水滴和冰晶的凝結(jié)核，在符合一定條件后將會形成降雨和降雪等天氣現(xiàn)象，這也是天氣預(yù)報的主要內(nèi)容之一，如果不能很好的預(yù)報到一些關(guān)鍵地區(qū)關(guān)鍵時間的降水情況甚至有可能會導(dǎo)致一些災(zāi)難的發(fā)生。

3 Raman激光雷達概述

3.1 激光雷達

激光雷達是一種主動式光學(xué)遙感設(shè)備，其光源是激光，這種裝置遙感大氣的基本原理是探測大氣與激光之間互相影響的輻射信號。因為其采用的探測束具有極強的定向性，而且波長較短，所以其時空分辨能力、探測靈敏度很高，正因如此，在大氣氣溶膠物理-光學(xué)性質(zhì)探測領(lǐng)域內(nèi)，激光雷達已成為一種主要方法。

3.2 Raman激光雷達系統(tǒng)

Raman散射原理是激光雷達的理論基礎(chǔ)。Raman散射激光雷達是指用于大氣氣體分子濃度探測的激光雷達。由于氣體分子Raman散射頻移現(xiàn)象與激光波長無關(guān)，僅與散射分子的成分相關(guān)。因此，通過激光雷達測獲的Raman散射頻移即可確定待測氣體的分子成分，Raman散射回波幅度則能確定待測氣體濃度。通常來說，采用Raman散射激光雷達即能把污染氣體分子與水汽分布排放濃度等測出。

Raman散射激光雷達所測獲的外來輻射噪聲包括以下兩部分。其一，天空背景輻射（Raman散射波長）導(dǎo)致的噪聲，不過，該部分輻射噪聲在夜間探測時忽略不計。其二，激光照射大氣形成的外來輻射噪聲所導(dǎo)致的Mie和Rayleigh后向散射光輻射，它的散射波長極其接近于Raman散射波長，所以會顯著影響到Raman后向散射光信號。Raman散射信號僅僅約為Mie散射信號的1/1000，極弱。因此，必須要有效的抑制噪音值，方能確保有效的接收到Raman雷達信號。

4 Raman雷達測量大氣氣溶膠消光系數(shù)

Raman雷達測量大氣氣溶膠消光系數(shù)原理及計算步驟：

令Raman激光雷達方程寫為：

這里的P是在z距離上Raman波長為？姿R，激光脈沖傳輸波長為？姿L時所接受到的能量，O（z）是介于激光射線和光學(xué)接收器之間形成的重疊函數(shù)，α是以波長？姿L和？姿R為變量的總消光系數(shù)，B包含所有與深度無關(guān)的參考量，散射系數(shù)β與微分Raman雷達接收到的后向散射截面d？滓/d？贅的氣體分子數(shù)密度的關(guān)系式為：

氮和氧的分子數(shù)密度都可以直接使用，因為他們的密度通常是已知的。如果激光束的傳輸途徑完全在Raman激光雷達系統(tǒng)接收器的視野中，則O（z）為恒定值，則有：

（3）

這個結(jié)果支持高度Z>Zmin時關(guān)于拉曼雷達的重復(fù)作用 。

（3）式為得出的主要計算公式。人們根據(jù)大量的實際探測數(shù)據(jù)和設(shè)想理論， 規(guī)定了“標(biāo)準(zhǔn)大氣”，一種特性最為接近實際大氣并且與高度的關(guān)系較為平均分布的大氣模型，對于標(biāo)準(zhǔn)大氣的模型，可以得出大氣密度在高度z上得表達：

表達式中P0為的海平面上的標(biāo)準(zhǔn)大氣密度P0=2.5×1019/cm3，H=8.3km，故可以得出N（z）=78%P（z）。N為散射體的數(shù)密度，在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，N=2.687×1019mol/cm3，n=1.000278。

5 結(jié)束語

根據(jù)Raman激光雷達系統(tǒng)對大氣氣溶膠消光系數(shù)的探測實驗和計算過程，可以得出Raman激光雷達系統(tǒng)在這方面的一些優(yōu)缺點。

（1）優(yōu)點：Raman激光雷達可以對氣溶膠的空間垂直分布有較

高精度的測量，并且有較好的探測距離，文中源數(shù)據(jù)的空間分辨率為150m，這在探測氣溶膠含量和對其消光系數(shù)的計算過程中提供了較為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，且測量出的消光系數(shù)精度也較高，可達到10-4～10-5/m，其精度也是非常準(zhǔn)確的。Raman激光雷達系統(tǒng)的時間分辨率也較高，探測數(shù)據(jù)的頻率較高。這樣總的來說Raman激光雷達系統(tǒng)具有很好的時空分辨率。

（2）缺點：拉曼信號非常的微弱，信噪比很小。所以我們一般在夜晚進行實驗，但往往還是會受到其他波長的噪聲影響，此時通常使用濾光片去其他波長的噪聲。

參考文獻

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[2]Collis，R.T.H.，Lidar：a new atmospheric probe，Quart.J.R.Met.soc.，1966，92（392）：220-230.

作者簡介：王子立（1989-），男，云南昆明人，本科，助理工程師，研究方向：大氣物理學(xué)與大氣探測。