一種能夠全方位掃描的氣溶膠監(jiān)測激光雷達研制與應用

◎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。也就是通過接收系統(tǒng)接收大氣介質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、云等的結構和光學參數。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處的大氣介質在波長λ上的后向散射系數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（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、數據分析模塊、系統(tǒng)控制模塊等組成。該雷達能夠實現全方位掃描，所以增加了垂直旋轉結構及水平旋轉結構。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，將其光信息轉換成電信號并進行放大處理。

數據分析模塊主要由工控機、A/D轉換模塊、算法及分析軟件等組成。被轉換的電信號經過前置放大后進入采集卡進行模/數轉換，轉換為數字信號供工控機的軟件處理，通過相關反演算法將數字信號轉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、望遠鏡的垂直旋轉與水平旋轉、回波信號的接收與采集、數據的分析等進行統(tǒng)一協調控制，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、數據采集與分析

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。掃描結果如圖2所示。

圖2 激光雷達水平360°掃描氣溶膠結果圖

結合激光雷達水平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 真氣網發(fā)布淮北市2017年11月10日AQI變化曲線圖

圖4為真氣網發(fā)布的淮北市地面空氣監(jiān)測數據，該數據說明，在2017年11月10日6:00空氣質量由良逐漸演變?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

結合10日的NOAA衛(wèi)星的后向軌跡圖（見圖5）數據來看，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，并能完整地呈現污染團的整個演變過程，同時結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據支撐，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階段高空氣溶膠實時濃度分布監(jiān)測技術的空白。