基于激光雷達(dá)技術(shù)的粉塵污染源監(jiān)測

呂 陽，李正強(qiáng)，謝劍鋒，張 豐，劉小強(qiáng)，劉 詔，謝一凇，許 華，陳興峰

1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所國家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點實驗室，北京 100101 2.河北省環(huán)境監(jiān)測中心站，河北 石家莊 050000 3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，大氣污染已經(jīng)嚴(yán)重影響了人們的生產(chǎn)生活[1-2]；雖然大部分排污企業(yè)已按要求安裝了污染排放在線監(jiān)測儀器來采集煙氣流速、濃度及硫化物和氮化物等含量信息。但是各廠家的監(jiān)測儀器儀表不盡相同，監(jiān)測數(shù)據(jù)對比性差，使得大量觀測數(shù)據(jù)無法共享使用。同時，這些儀器儀表由于安裝和監(jiān)管等問題，無法完全排除人為影響。

遙感技術(shù)用于大氣污染探測，具有客觀及非接觸等優(yōu)勢[3-4]。但是，常用的被動遙感，一方面受限于輻射源[5]，無法實現(xiàn)全天時探測；另一方面受限于面觀測，只能獲得柱信息[6]。激光雷達(dá)技術(shù)作為探測大氣顆粒物的新型主動遙感工具[7-8]，在顆粒物變化監(jiān)測方面具有全天時、大范圍、廓線探測等獨特優(yōu)勢。作為一種新型技術(shù)，激光雷達(dá)在應(yīng)用到實際監(jiān)測過程中時，還存在一些技術(shù)和應(yīng)用方面的問題，需要通過現(xiàn)場實驗進(jìn)行梳理以獲得解決和發(fā)展。研究通過實驗，對一個污染源的排污進(jìn)行激光雷達(dá)監(jiān)測，分析煙塵排放強(qiáng)度與激光雷達(dá)信號間的關(guān)系，驗證激光雷達(dá)技術(shù)用于粉塵污染源排放監(jiān)測的可行性。

1 實驗部分

1.1 主要儀器

實驗采用地基微脈沖激光雷達(dá)作為主要的觀測儀器，該儀器型號為CE370-2(法國)[9]。它根據(jù)大氣對激光的散射、吸收等物理效應(yīng)，通過定量分析激光大氣回波，進(jìn)行大氣參數(shù)探測。主要由激光器、發(fā)射及接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。高方向性、高亮度和高脈沖重復(fù)率，使激光雷達(dá)可以對大范圍大氣進(jìn)行實時快速監(jiān)測。此外，微脈沖技術(shù)具有對人眼安全的優(yōu)勢。激光雷達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 CE370-2型微脈沖激光雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 實驗地點

實驗地點位于河北省西南部，太行山中段東麓，地勢西高東低。區(qū)域內(nèi)公路、煤場、礦場、水泥廠等散布。研究以區(qū)域內(nèi)水泥廠的一個排污煙囪為觀測目標(biāo)(圖1)，通過激光雷達(dá)定點監(jiān)測，分析主動激光雷達(dá)技術(shù)對偷排偷放的監(jiān)測能力。該水泥廠采用布袋除塵方式，除塵率在99%以上。在水泥生產(chǎn)時，原料經(jīng)過皮帶機(jī)的輸送進(jìn)入生料磨，同時增濕塔的煙氣噴入生料磨，幫助生料進(jìn)行粉磨。生料粉磨出來的物料，即生料，進(jìn)入高效旋風(fēng)分離器，進(jìn)行分離，粉塵進(jìn)入窯尾收塵器，生料落下，經(jīng)過皮帶機(jī)或螺旋輸送機(jī)，送入生料均化庫。

圖1 實驗地點和觀測方向示意圖

在河北省環(huán)境監(jiān)測中心站的監(jiān)控下，工廠在煙囪下方安裝了在線監(jiān)控設(shè)備，數(shù)據(jù)實時上傳至河北省環(huán)境監(jiān)測中心站，并定期利用河北省環(huán)境監(jiān)測中心站的標(biāo)準(zhǔn)儀器對工廠的儀器設(shè)備進(jìn)行對比標(biāo)定。在線監(jiān)控設(shè)備工作原理是將煙塵采樣管由采樣孔放入煙道，應(yīng)用皮托管按等速采樣要求抽取一定量的含塵氣體，根據(jù)濾筒捕集的煙塵重量以及抽取的氣體體積，計算顆粒物的排放濃度及排放總量。測試儀同時應(yīng)用定電位電解法定性或定量測定O2、SO2、CO、NO、NO2、H2S、CO2等氣體的含量，同時提供煙氣溫度、含濕量等參數(shù)。該儀器可用于各種鍋爐、爐窯煙塵(氣)的排放濃度或總量測定。實驗中自動煙塵(氣)測試儀用于探測煙囪口處排放顆粒物的濃度，為激光雷達(dá)探測信號值的比照提供參考數(shù)據(jù)。

1.3 實驗方案

將水泥廠的3號窯尾煙囪作為觀測對象，地表寬廣平整的花壇作為觀測點，該觀測點距觀測對象約750 m。從2015年6月9日17∶10—10日04∶00對3號窯尾煙囪進(jìn)行觀測，通過觀察實時數(shù)據(jù)接收界面，直觀與煙塵排放濃度變化對比。然后設(shè)置一個激光雷達(dá)信號指數(shù)因子，與在線儀器獲取的煙塵排放濃度統(tǒng)計分析，驗證兩者可對比性。

實驗從2015年6月9日17∶10開始。首先進(jìn)行了約3 h的觀測，用以確定污染源排放的穩(wěn)定性及Lidar信號的可對比性。其中，17∶10—19∶10風(fēng)速較小、大氣穩(wěn)定，認(rèn)為是穩(wěn)定排污過程；然后拔除除塵袋，增加排污強(qiáng)度(表2)，并觀察Lidar信號的變化；23∶30結(jié)束封閉氣室，排污強(qiáng)度再次降低。

表2 激光雷達(dá)粉塵點污染源監(jiān)測實驗過程

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 激光雷達(dá)探測原理

激光雷達(dá)探測大氣的基本原理即激光與大氣相互作用的機(jī)制。激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)發(fā)射到大氣中，在大氣中遇到空氣分子、氣溶膠等成分便會發(fā)生散射、吸收等作用。散射中的小部分能量(后向散射光)落入接收望遠(yuǎn)鏡視場被接收。其基本原理可以用公式來表示：

(1)

式中：P(Z)為接收的信號，Z為信號到激光雷達(dá)的距離，C為激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)，E為激光脈沖能量，β為后向散射系數(shù)，T2為雙向透過率。BG、AP、DTC、O(Z)分別表示背景噪聲、殘余脈沖、探測器延時校正和重疊因子校正。

2.2 激光雷達(dá)確定污染源位置

由于窯尾煙囪距離觀測點較遠(yuǎn)，無法直接用肉眼觀察激光光斑位置，為準(zhǔn)確定位污染源位置，實驗采用十字掃描方式確定，并通過激光測距儀進(jìn)行驗證。

具體實施方法是將激光雷達(dá)大體指向窯尾煙囪所在方向，固定高度角，在觀測目標(biāo)左右約10°范圍內(nèi)進(jìn)行水平掃描，觀察激光雷達(dá)信號，當(dāng)信號由平滑變?yōu)橛忻黠@峰值，隨著掃描信號峰值消失時，即認(rèn)為該角度為煙羽所在方位角。然后固定方位角，從較低的高度開始進(jìn)行垂直掃描，起初激光光斑打在煙囪柱體上，信號顯示無法穿透，通過逐漸上調(diào)高度角，當(dāng)激光雷達(dá)信號突然出現(xiàn)穿透時，即為煙囪口所在位置。通過激光雷達(dá)儀，測量觀測點到3號窯尾煙囪的距離，與激光雷達(dá)信號峰值位置對比，兩者差值較小。標(biāo)記高度角和方位角，即為污染源位置。圖2為不同時間激光雷達(dá)接收的回波信號(P)，可以看出回波信號隨高度變化，在約750 m處存在一個高峰值，即為污染源位置。

圖2 不同時間的激光雷達(dá)回波信號變化Fig.2 The signal changes ofLidar at different time

2.3 激光雷達(dá)信號校正

激光雷達(dá)探測煙塵顆粒物后得到原始數(shù)據(jù)見圖3(a)，可以直觀看出污染源處(約750 m)信號的峰值。如式(1)所示，大部分參數(shù)是與距離相關(guān)的函數(shù)。而激光雷達(dá)信號測量的是每秒的光電子數(shù)和距離。在對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行幾個相應(yīng)的校正后[10]，可以獲得距離校正信號，主要包括探測器延時校正、背景噪聲校正、殘余脈沖校正、幾何因子校正、低通濾波、距離校正等。其中，探測器延時校正是為了消除因光子計數(shù)時探測器飽和而造成的光子計數(shù)損失；背景噪聲校正是為了消除因大氣背景光進(jìn)入到探測器而產(chǎn)生的噪聲；殘余脈沖校正是為了消除儀器內(nèi)部因發(fā)射激光束帶來的殘余脈沖所造成的影響；幾何因子校正是為了校正因收發(fā)系統(tǒng)非共軸或者收發(fā)系統(tǒng)共軸系統(tǒng)自身阻擋造成的距離較近光路上回波信號的未完全接收；低通濾波是為了濾除高頻噪聲，提高信噪比；距離校正則是為了校正后向散射信號隨距離平方衰減的問題。用公式表達(dá)為

S(Z)=C×E×β(Z)×T2

(2)

圖3 2015年6月9日17∶10—10日04∶10激光雷達(dá)觀測結(jié)果

圖3(b)為2015年6月9日17∶10—10日04∶10 激光雷達(dá)距離校正圖像，與圖3(a)對比，可以看出隨排污強(qiáng)度的增加，污染源處信號強(qiáng)度明顯增大。圖3(b)在19∶00以后，由于風(fēng)速增大，近地面信號強(qiáng)度開始增加并且有一些波動。在約600 m高度處，有不時出現(xiàn)的小高峰值，是因為風(fēng)向不穩(wěn)定，風(fēng)速大，使3號窯尾煙囪附近低矮排污的不固定方向污染傳輸。另外，由于風(fēng)速較大，750 m處有部分污染在觀測路徑上擴(kuò)散。

2.4 激光雷達(dá)點污染監(jiān)測指數(shù)因子計算

由于激光雷達(dá)接收信號是隨距離衰減的，污染源處激光雷達(dá)信號強(qiáng)弱除了受粉塵排放強(qiáng)度的影響，同時受大氣環(huán)境的影響。為了消除大氣環(huán)境的影響，設(shè)置一個激光雷達(dá)點污染源監(jiān)測指數(shù)因子(也稱Lidar指數(shù)因子，C)來表示污染程度。

設(shè)距離r1處的激光雷達(dá)信號為

(3)

設(shè)距離r2處的激光雷達(dá)信號為

(4)

將大氣分為大氣分子(m)和氣溶膠(a)兩部分[11]，即β=βm+βa，σ=σa+σm，則C可表示為

C=

(5)

式中：Sa和Sm分別表示氣溶膠雷達(dá)比和大氣分子雷達(dá)比，為氣溶膠和大氣分子的消光系數(shù)與后向散射系數(shù)的比值，則式(5)可以表示為

C=

(6)

式中：大氣分子廓線采用美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模型，即認(rèn)為βm、Sm為已知。假設(shè)大氣穩(wěn)定，認(rèn)為在不受污染源影響區(qū)域的βa(Z2)變化較小，可忽略。則可以看出，C與βa(Z1)為正相關(guān)，即若排污強(qiáng)度增強(qiáng)，C增大。從C的定義可以看出，對比高度(Z2)應(yīng)選擇不受污染源影響，相對穩(wěn)定的區(qū)域，研究通過選用了不同距離作為r2進(jìn)行對比，認(rèn)為選用污染源后方的信號能獲得更好的結(jié)果，這主要是因為污染源前方受地面污染擴(kuò)散影響大(圖3)，另外實驗時主要為西北風(fēng)，污染源排出的粉塵更易向污染源前方傳輸，因此研究選用800 m為對比距離。

3 觀測結(jié)果及分析

將2015年6月9日17∶00—10日04∶00的每分鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析，圖4為在線儀器測得煙塵排放濃度與Lidar指數(shù)因子的時間序列圖。

圖4 2015年6月9日17∶00—10日04∶00(北京時間)在線儀器測得煙塵排放濃度與Lidar指數(shù)因子的時間序列

由圖4可以看出，污染源排放強(qiáng)度可直觀反映在激光雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)上，但是由于兩者觀測位置不同，Lidar指數(shù)因子比在線儀器測量的煙塵排放濃度具有更大的不穩(wěn)定性。從煙塵排放濃度可以看出在21∶00—21∶26，完成拆袋、沒有開閘時，煙塵排放濃度約增加1倍(20～40 mg/m3)，Lidar指數(shù)因子也同時增加，增量約為30%(1.8～2.9)。開閘后，煙塵排放濃度從約40 mg/m3瞬間升到120 mg/m3(約3倍)，但Lidar指數(shù)因子則逐漸從2.9升到6(增加約1倍)。對圖4中煙塵排放濃度和Lidar指數(shù)因子進(jìn)行統(tǒng)計，見圖5。

由圖5可以看出兩者的頻數(shù)分布基本一致。煙塵排放濃度主要集中在10～30 mg/m3，Lidar指數(shù)因子主要集中在1.5～2.0。排放濃度較強(qiáng)時，煙塵排放濃度主要集中在110～290 mg/m3，Lidar指數(shù)因子的頻數(shù)分布也在3.75～6.25區(qū)間有峰值存在。

圖5 頻數(shù)分布直方圖

根據(jù)環(huán)境保護(hù)部《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，水泥窯等熱力設(shè)備的排放標(biāo)準(zhǔn)為30 mg/m3[12]，而分析煙塵排放濃度的穩(wěn)定排放階段，煙塵排放均值約為18 mg/m3，圖6分別展示了煙塵排放濃度、Lidar指數(shù)因子與穩(wěn)定排放階段均值的差值，其數(shù)值的大小可以表示變化幅度的大小。

圖6 2015年6月9日17∶00—10日04∶00(北京時間)在線觀測與激光雷達(dá)觀測對比

從圖6中可以看出Lidar指數(shù)因子的變化幅度明顯大于煙塵排放濃度，這主要是因為兩者監(jiān)測的位置不同。圖6(a)為煙塵排放濃度與穩(wěn)定排放階段均值的差值，虛線為+12 mg/m3，即表示超標(biāo)排放。可以看出，在穩(wěn)定排放階段煙塵排放濃度變化較小，一般不會超過2 mg/m3。 圖6(b)的Lidar指數(shù)因子也以穩(wěn)定排放階段的均值(1.7)為基準(zhǔn)，虛線為0.6，對應(yīng)表示超標(biāo)排放?？梢钥闯?，雖然Lidar指數(shù)因子穩(wěn)定性較煙塵排放濃度差，但是在穩(wěn)定排放階段，Lidar指數(shù)因子變化一般也不會超過0.2。即使在實驗后期，煙塵排放濃度整體有所增加(約21 mg/m3)，Lidar指數(shù)因子變化一般也不會超過0.6。以2個圖中的虛線作為排放閾值線(即煙塵排放濃度閾值為30 mg/m3，Lidar指數(shù)因子閾值為2.3)，只有4條結(jié)果對不一致，均出現(xiàn)在排放濃度增加的開始和停止時間段，這主要是因為在線設(shè)備在煙囪底部，是實時、不受環(huán)境影響的記錄，而激光雷達(dá)是對煙囪口的記錄，煙羽在煙囪內(nèi)部進(jìn)行了混合、擴(kuò)散、沉降，再從煙囪向外排放時濃度還不穩(wěn)定，并且受外界風(fēng)向、風(fēng)速等氣象因素的影響。因此，在穩(wěn)定排污的情況下，可以將研究中波段組合的Lidar指數(shù)因子的限值設(shè)為2.3，進(jìn)行粉塵污染源排污監(jiān)測。

4 結(jié)論

1)經(jīng)過距離校正后，激光雷達(dá)信號可以直觀反映煙塵排放濃度，信號隨煙塵排放強(qiáng)度的增加而增大，可用于點污染源排放監(jiān)測。

2)綜合考慮風(fēng)向、近地面污染擴(kuò)散影響后，選擇污染源上風(fēng)向與污染源處信號組成激光雷達(dá)點源監(jiān)測指數(shù)因子，結(jié)果顯示該指數(shù)因子與煙塵排放濃度具有很好的一致性，校正決定系數(shù)可達(dá)0.94。

3)針對水泥廠類型粉塵排污，對應(yīng)水泥窯等熱力設(shè)備30 mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)，將激光雷達(dá)點源監(jiān)測指數(shù)因子的限值設(shè)為2.3，可達(dá)到99%的監(jiān)測一致性。

當(dāng)然，由于激光雷達(dá)監(jiān)測的是煙囪出口處濃度，與在線儀器在煙道內(nèi)監(jiān)測位置不盡相同，因此額外受到煙囪口處大氣環(huán)境的干擾。盡管研究采用激光雷達(dá)點源監(jiān)測指數(shù)因子方法可有效降低這種干擾，但局部信號相關(guān)性仍然較差。然而在實際監(jiān)測中，激光雷達(dá)點源監(jiān)測指數(shù)因子方法完全可以滿足對粉塵點污染源超排超放監(jiān)測的需求。

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