基于激光雷達(dá)走航車的大氣污染物探測技術(shù)及其應(yīng)用

朱 余，陶宗明，張 帥，施奇兵

1.安徽省環(huán)境監(jiān)測中心站，安徽 合肥 230031 2.解放軍陸軍炮兵防空兵學(xué)院基礎(chǔ)部物理教研室, 安徽 合肥 230031 3.合肥光博量子科技有限公司，安徽 合肥 230031

大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中的直徑在0.001～100 μm的液體或固體顆粒物，它是大氣污染物的主要成分，是城市光化學(xué)煙霧的重要來源，對人體的健康環(huán)境和全球氣候都有一定的影響[1]。近年來中國主要城市的顆粒物污染狀況得到一定遏制，但顆粒物濃度仍然較高[2-3]。要科學(xué)、有效防治大氣污染，精準(zhǔn)探測大氣污染物的立體時空分布是基礎(chǔ)。PM2.5監(jiān)測儀只能探測所在位置的污染情況，不能進(jìn)行遙控探測。衛(wèi)星中搭載主動和被動儀器(如MODIS和CALIOP等)，可對全球氣溶膠進(jìn)行主被動觀測，它們的優(yōu)點是探測范圍廣，可實現(xiàn)全球探測，但也存在一定的局限性(如MODIS產(chǎn)品的空間分辨率不夠高，CALIOP數(shù)據(jù)的信噪比不夠好等)。

激光自20世紀(jì)60年代被發(fā)明以來，很快被應(yīng)用到大氣探測中，激光雷達(dá)以精細(xì)的時間、空間和光譜分辨率，大的垂直跨度和高的探測精度吸引了各國科學(xué)家與工程技術(shù)人員的密切關(guān)注。近些年來隨著激光技術(shù)、光學(xué)機(jī)械加工技術(shù)、信號探測與采集技術(shù)的不斷提高和新的探測原理與方法的不斷涌現(xiàn)，激光雷達(dá)取得了長足的技術(shù)進(jìn)步，并在大氣、海洋及空間等領(lǐng)域得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用[4-7],其探測平臺也由地基探測發(fā)展為機(jī)載和星載。氣溶膠激光雷達(dá)的探測技術(shù)也由原來的米散射探測[8]發(fā)展為拉曼探測[9]和高分辨率光譜探測[10]。激光雷達(dá)已成為探測大氣氣溶膠的強(qiáng)有力工具。

把激光雷達(dá)裝在汽車上，可以實現(xiàn)地面上的移動探測，適合對城市進(jìn)行大氣污染監(jiān)測。早期的車載激光雷達(dá)中汽車僅是運輸工具，汽車把激光雷達(dá)從一地運輸?shù)搅硪坏?，汽車停下后激光雷達(dá)開始探測[11]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)階段的車載激光雷達(dá)是走航式工作，即邊走動邊探測[12-13]，同時還可以進(jìn)行掃描探測[14]。

筆者以激光雷達(dá)走航車為例，分析了激光雷達(dá)走航式探測污染物的原理，對該車在合肥、蕪湖等地的探測實例進(jìn)行分析。結(jié)果表明，激光雷達(dá)走航式探測技術(shù)在大氣污染物立體探測方面具有重要的應(yīng)用價值。

1 走航車主要儀器簡介

激光雷達(dá)走航車實物如圖1所示，主要儀器有氣溶膠激光雷達(dá)和測風(fēng)激光雷達(dá)等。工作方式主要有定點豎直探測、定點掃描探測和走航式豎直探測等。氣溶膠激光雷達(dá)是車載的主要儀器，筆者對它進(jìn)行較詳細(xì)的介紹，而簡要介紹測風(fēng)激光雷達(dá)。氣溶膠激光雷達(dá)的工作原理如圖2所示，主要由激光器、望遠(yuǎn)鏡、光電探測器、采集卡、掃描頭和工控計算機(jī)等部分組成，其各部分的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 激光雷達(dá)走航車外觀Fig.1 The photograph of lidar navigation vehicle

圖2 氣溶膠激光雷達(dá)原理Fig.2 The schematic diagram of aerosol lidar

表1 氣溶膠激光雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Specifications of aerosol lidar

測風(fēng)激光雷達(dá)是利用激光干涉原理和多普勒效應(yīng)來探測大氣中不同高度水平的風(fēng)速，相關(guān)探測原理較繁，詳見參考文獻(xiàn)[15]。

2 走航車探測原理

激光雷達(dá)探測的數(shù)據(jù)由激光雷達(dá)方程來描述。

(1)

式中：P(z)為激光雷達(dá)接收距離z處的大氣后向散射回波信號，C為系統(tǒng)常數(shù)，η(z)為系統(tǒng)幾何因子，α1(z)和β1(z)分別為距離z處大氣氣溶膠的消光系數(shù)和后向散射系數(shù)，α2(z)和β2(z)分別為距離z處大氣分子的消光系數(shù)和后向散射系數(shù)。

對于系統(tǒng)的幾何因子η(z)，采用CCD來探測和修正處理[16]。經(jīng)幾何因子修正后的激光雷達(dá)信號可變?yōu)榫嚯x修正信號，后面的分析都是基于距離修正信號進(jìn)行的。

(2)

2.1 污染物源搜尋

為了方便快捷搜尋污染物源，對激光雷達(dá)探測數(shù)據(jù)采用了定性與定量相結(jié)合的處理方法。在尋找污染物源距離(或位置)時，進(jìn)行定量處理，獲得精確的距離數(shù)值；在污染物源排放強(qiáng)度方面是定性處理，獲得污染物的相對強(qiáng)度。

(3)

式中：α2(0)和β2(0)分別為地面上大氣分子模式的消光系數(shù)和后向散射系數(shù)。

大氣透過率項隨著距離增加而單調(diào)衰減， 而氣溶膠后向散射系項隨距離變化情況是由z處污染物多少決定的。因為氣溶膠的后向散射系數(shù)與污染濃度成正相關(guān)關(guān)系，若大氣污染物在探測路徑上是均勻分布的，則后向散射系數(shù)項就是常數(shù)，那么X(z)也是隨距離增加單調(diào)變??；假設(shè)大氣污染物在探測路徑上不均勻分布，則氣溶膠后向散射系數(shù)在探測路徑上也是不均勻的，如圖3(a)所示。由圖3(a)污染物的后向散射系數(shù)分布，根據(jù)激光雷達(dá)方程(3)，正演出激光雷達(dá)的距離修正信號，結(jié)果如圖3(b)所示。可以看出：X(z)在隨距離增加總體變小的趨勢下，會出多個峰值，峰值的位置(定量的、精確的)對應(yīng)于污染物多的地方，峰值的大小(定性的、相對的)對應(yīng)于污染物排放強(qiáng)度的大小。

圖3 假設(shè)的探測路徑上污染物后向散射系數(shù)和對應(yīng)的激光雷達(dá)距離修正信號Fig.3 The assumptive pollutant backscattering coefficient in laser direction and the corresponding range-corrected lidar simulation signal

2.2 氣溶膠消光系數(shù)的反演

當(dāng)激光雷達(dá)垂直工作時(定點或走航工作方式)，大氣分子的后向散射系數(shù)和消光系數(shù)由大氣分子的模式來得到，激光雷達(dá)常數(shù)可由對流層附近的清潔點來消除。

再假設(shè)氣溶膠的消光后向散射比(S1)為常數(shù)，則由Fernald方法，可得氣溶膠的消光系數(shù)表達(dá)式[17]。

(4)

(5)

式中：zc為氣溶膠清潔點的高度。

2.3 PM2.5質(zhì)量濃度的反演

PM2.5是指粒徑小于2.5 μm的氣溶膠粒子總稱，而氣溶膠消光系數(shù)(或后向散射系數(shù))是所有氣溶膠分子貢獻(xiàn)，但它們之間有一定的聯(lián)系[18]。

α1(z)=K·CPM2.5(z)

(6)

式中：α1(z)是氣溶膠消光系數(shù)，CPM2.5(z)是PM2.5質(zhì)量濃度，K是比例系數(shù)。比例系數(shù)K是由氣溶膠的種類、折射率指數(shù)、譜分布、大氣相對濕度等諸參數(shù)決定的常數(shù)。在近地面的邊界層內(nèi)，由于湍流的混合作用，可合理地認(rèn)為氣溶膠的折射率指數(shù)是相同的，氣溶膠粒子的譜分布特征也是相同的。忽略不同高度上大氣相對濕度的區(qū)別，可認(rèn)為比例系數(shù)K在不同高度上是相同的，即是與高度無關(guān)的常數(shù)。因此，利用公式(5)，實現(xiàn)了氣溶膠的消光系數(shù)廓線向PM2.5質(zhì)量濃度廓線的轉(zhuǎn)化。

2.4 城市區(qū)域污染物PM2.5輸送估算

為了便于介紹污染物PM2.5輸送，仿照水或電量分別通過河流或?qū)w時的流動描述，定義污染物PM2.5在大氣中傳輸?shù)?個物理量：PM2.5傳輸密度、PM2.5柱狀傳輸通量和PM2.5傳輸通量，它們的定義分別為PM2.5傳輸密度是指單位時間在垂直于風(fēng)速方向單位面積上傳輸PM2.5的質(zhì)量，根據(jù)此定義有

E(z)=v(z)·CPM2.5(z)

(7)

式中：E(z)為PM2.5傳輸密度，v(z)是風(fēng)速，單位為μg/(m2·s)。

PM2.5柱狀傳輸通量是指在所有高度方向上單位時間單位水平長度傳輸?shù)腜M2.5質(zhì)量，根據(jù)此定義有

(8)

式中：φ為柱狀傳輸通量，單位為μg/(m·s)。

PM2.5傳輸通量是指單位時間內(nèi)穿過一定面積(l和Z分別代表垂直于風(fēng)速方向的水平距離和垂直高度)的PM2.5質(zhì)量，根據(jù)此定義有

(9)

式中：Φ為傳輸通量，單位為μg/s。

定義了以上3個污染物PM2.5輸送概念后，估算污染物輸送通量的思路為走航車垂直工作，由公式(6)直接獲得豎直方向不同高度的污染物PM2.5濃度；結(jié)合風(fēng)雷達(dá)的數(shù)據(jù)，由公式(7)和公式(8)獲得污染物PM2.5在不同高度上的傳輸密度及整個高度上的污染物柱狀傳輸通量；走航車邊走邊測，由公式(9)就可估算總的傳輸通量。

對于一個城市區(qū)域而言，其大氣污染物的來源可分為自主產(chǎn)生的(包括降解)和外來輸送的2種情況，這2種情況往往是同時存在的，只不過所占的比例可能隨時在變化。城市污染物PM2.5估算模型的條件：①忽略城市污染物的產(chǎn)生和降解；②污染物PM2.5僅在對流層內(nèi)；③依照風(fēng)速的方向，把城市簡化成一個立方體的空間，AB為城市的橫向邊界，AD為城市的縱向邊界，豎直邊界為對流層頂，其俯視的二維模型如圖4所示。

圖4 城市污染物輸送二維模型Fig.4 The 2-dimension model of urban pollutant transport

污染物PM2.5從城市的上風(fēng)口AB邊輸入城市，從下風(fēng)口DC邊輸出城市，兩者之差就是外界對城市PM2.5的凈輸送。

設(shè)激光雷達(dá)分別探測得上風(fēng)口AB邊的風(fēng)速高度廓線為vAB(z)和下風(fēng)口DC邊風(fēng)速廓線為vDC(z)，PM2.5濃度高度廓線分別為CPM2.5-AB(z)和CPM2.5-DC(z)，AB邊的長度為l。則單位時間內(nèi)，從AB邊輸入到城市的PM2.5總量為

圖5 繞城走航氣溶膠消光系數(shù)三維圖Fig.5 The 3-dimension aerosol extinction coefficient measured by mobile lidar around city

(9)

從DC邊輸出的PM2.5總量為

(10)

式中：zt為對流層頂，x是AB邊和DC邊方向上的坐標(biāo)。

單位時間內(nèi)對城市輸送PM2.5的凈量為

Mpure=Minput-Moutput

(11)

3 走航車探測個例

激光雷達(dá)走航車系統(tǒng)研制成功后，先后在合肥、蕪湖等市進(jìn)行了車載走航和定點掃描探測實驗，下面選取3個典型探測個例進(jìn)行介紹。

3.1 氣溶膠時空分布走航探測

行駛的車輛、建筑工地以及工廠等都是排放污染的源頭，再加上外界污染物的輸送，城市中氣溶膠的時空分布隨時隨地都在變化。車載激光雷達(dá)走航探測，是觀測氣溶膠時空分布最方便快捷的工具。

2018年11月21日00:00—21:00，合肥市受西北方污染傳輸影響，疊加本地污染排放及顆粒物的二次轉(zhuǎn)化過程，經(jīng)歷了一次輕度污染到重度污染的過程。車載激光雷達(dá)于21日14:18從高新區(qū)高速入口沿合肥繞城高速公路一周進(jìn)行逆時針走航觀測，先后經(jīng)過包河區(qū)繞城南段、肥東縣繞城東段、廬陽區(qū)繞城北段，至15:47回到起點高新區(qū)高速入口。根據(jù)公式(4)和公式(5)，反演出走航路徑上的氣溶膠消光系數(shù)的空間分布，如圖5所示。為了便于觀看，把三維立體圖轉(zhuǎn)化為圖6的二維平面圖。

圖6 繞城走航氣溶膠消光系數(shù)二維圖Fig.6 The 2-dimension aerosol extinction coefficient measured by mobile lidar around city

從圖5和圖6 中可以清楚地看出，繞城高速路徑上氣溶膠分布是不均勻的，西邊和北邊的污染物較南邊和東邊多。結(jié)合車載上的風(fēng)雷達(dá)可知，走航時間段為西北風(fēng)，污染物是由西北邊輸送過來的。

3.2 污染源的掃描搜尋

激光雷達(dá)掃描方式探測的主要目的是尋找污染物源頭。在微風(fēng)或無風(fēng)的天氣情況下，污染源排放的污染物主要是向上擴(kuò)散，水平方向擴(kuò)散較慢。故在污染源的上空就會形成污染物聚積，激光雷達(dá)探測到污染源上方時雷達(dá)信號會突然增強(qiáng)。根據(jù)回波信號的這一特征，利用公式(3)，就可定量判斷污染源的距離(位置)以及污染源的相對排放強(qiáng)度。

2019年3月26日15：17開始，車載激光雷達(dá)在蕪湖市無為縣的比亞迪大橋上對周圍進(jìn)行水平掃描探測，結(jié)果如圖7所示，中心陰影區(qū)為車載激光雷達(dá)所在地。圖7中，在地圖上疊加由公式(3)處理過的激光雷達(dá)距離修正信號，用顏色棒表示信號的相對強(qiáng)度。激光雷達(dá)掃描一周后，根據(jù)公式(3)利用激光雷達(dá)回波的顏色差異，找到了4處激光雷達(dá)回波信號強(qiáng)的地方，它們距車載激光雷達(dá)所在地的距離分別為4.545、4.905、6.187、1.275 km。經(jīng)實時實地考察后，獲取了這4處回波信號強(qiáng)處近距離照片(圖7)，發(fā)現(xiàn)它們正在產(chǎn)生污染，的確是污染物源。根據(jù)地圖比例尺估算出它們到激光雷達(dá)所在地的距離，分別是比亞迪大橋附近的工地?fù)P塵(約4.54 km)，郭村附近開墾荒地(約4.91 km)，無為縣基督教堂附近揚塵(約6.18 km)和南壩村附近開墾荒地(約1.27 km)，激光雷達(dá)探測到的距離與從地圖上估算的距離一致性很好。

圖7 車載激光雷達(dá)水平掃描結(jié)果Fig.7 The horizontal scanning result by mobile lidar

3.3 PM2.5輸送估算探測

把氣溶膠激光雷達(dá)垂直探測和風(fēng)雷達(dá)垂直探測的探測結(jié)果融合在一起，就可以估算污染物的輸送情況。2018年3月25日00:00—23:00在合肥市第11中學(xué)校園內(nèi)，車載激光雷達(dá)進(jìn)行了定點垂直探測。由氣溶膠激光雷達(dá)的探測數(shù)據(jù)，先利用公式(4)和公式(5)反演出氣溶膠的消光系數(shù)垂直廓線；然后利用公式(6)，把氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線轉(zhuǎn)化為PM2.5質(zhì)量濃度垂直廓線；再結(jié)合風(fēng)雷達(dá)探測出的風(fēng)垂直廓線，利用公式(7)，估算出PM2.5傳輸密度廓線，結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出：PM2.5傳輸密度是高度和時間的函數(shù)，不同高度、不同時間的PM2.5傳輸密度有顯著區(qū)別。約在03:00—11:00之間，40～400 m的高度上PM2.5傳輸密度最大，可達(dá)1 g/(m2·min)。把輸送PM2.5傳輸密度對高度在0～3 000 m積分，可得出PM2.5柱狀傳輸通量，其結(jié)果如圖9所示。

圖8 PM2.5傳輸密度隨時間變化關(guān)系Fig.8 The relationship of PM2.5 transport density with time

圖9 PM2.5傳輸柱狀通量隨時間變化關(guān)系Fig.9 The relationship of PM2.5 transport column flux with time

4 結(jié)論

介紹了基于氣溶膠激光雷達(dá)和測風(fēng)激光雷達(dá)走航車立體探測污染物技術(shù)及相應(yīng)探測原理，科學(xué)定義了污染物PM2.5輸送的3個物理量：PM2.5傳輸密度、PM2.5傳輸柱狀通量和傳輸通量。給出了走航車在合肥和蕪湖等地相應(yīng)的探測實例及分析。結(jié)果表明：基于激光雷達(dá)的走航車探測污染物是可行的；走航車是探測大氣顆粒物時空分布,搜尋大氣污染物源和估算顆粒物PM2.5通量強(qiáng)有力的工具。