多功能大氣探測激光雷達(dá)應(yīng)用

劉博銘，馬盈盈，2，龔 威，2

（1.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢 430072；2.地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢 430079）

0 引言

近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，人為排放量急劇增加，導(dǎo)致了大氣中的氣溶膠含量急劇上升［1-4］。氣溶膠通過散射和吸收太陽輻射以及改變云的輻射特性來改變大氣輻射收支，進(jìn)而影響全球和區(qū)域氣候變化［4-10］。同時，氣溶膠含量的上升也會造成區(qū)域環(huán)境變化，導(dǎo)致沙塵暴和霧霾的產(chǎn)生［11-15］。氣溶膠還可能導(dǎo)致健康問題，大氣中的細(xì)顆粒污染物進(jìn)入人體的呼吸系統(tǒng)和血管系統(tǒng)，會對人體健康產(chǎn)生不利影響［16］。因此，對大氣氣溶膠光學(xué)和物理特性的研究至關(guān)重要。

大氣探測激光雷達(dá)具有較高的空間和時間分辨率，可以長期連續(xù)地監(jiān)測污染物的垂直分布，已在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用［17-20］。最早的大氣探測激光雷達(dá)是美國學(xué)者FIOCCO 等［21］于1963 年研制的世界首臺紅寶石米散射激光雷達(dá)；同年LIGDA［22］也研制了一臺紅寶石米散射激光雷達(dá)，主要進(jìn)行對流層的大氣探測。隨后國內(nèi)外學(xué)者開始陸續(xù)開展了大氣探測激光雷達(dá)的研制工作，如日本學(xué)者IWASAKA 等［23］利用偏振激光雷達(dá)對火山灰氣溶膠進(jìn)行探測，并研究了其對日本大氣的影響；美國學(xué)者SCHOTLAND等［24和SASSEN等［25］在利用偏振激光雷達(dá)研究了不同形態(tài)的云的光學(xué)和物理特性；德國學(xué)者M(jìn)üLLER 等［26-28］研制出多波長高光譜分辨激光雷達(dá)，用于氣溶膠粒徑譜分布的反演；俄羅斯學(xué)者VESELOVSKII等［29-31］也使用多波長拉曼激光雷達(dá)對氣溶膠粒徑譜進(jìn)行研究。國內(nèi)的大氣探測激光雷達(dá)研制工作最早開始于1966 年，由中國科學(xué)院大氣所與中國科學(xué)院上海光機(jī)所共同研發(fā)出我國首臺紅寶石米散射激光雷達(dá)［32］；隨后多家單位也開展了大氣探測激光雷達(dá)的相關(guān)工作，如中科院大氣所呂達(dá)仁院士等［33］使用紅寶石激光雷達(dá)對底層大氣消光系數(shù)進(jìn)行探測；中國科學(xué)院安徽光機(jī)所的胡歡陵和周軍等相繼研制出米散射激光雷達(dá)［34-35］，用于對流層大氣污染物和氣溶膠的垂直分布觀測；其同事劉東和謝晨波等［36-38］研制出多波長拉曼激光雷達(dá)，應(yīng)用于卷云的光學(xué)特性觀測；北方民族大學(xué)毛建東等［39］開發(fā)了一套小型米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)，用于大氣氣溶膠光學(xué)特性和水平能見度測量；西安理工大學(xué)閆慶和華燈鑫等［40-42］開發(fā)出多種大氣探測激光雷達(dá)，用于大氣氣溶膠及云的精確探測；蘭州大學(xué)黃建平、黃忠偉和周天等［43-44］基于激光雷達(dá)研究了西北地區(qū)沙塵氣溶膠的特性；武漢大學(xué)龔?fù)屠羁〉龋?5-46］開發(fā)出了雙視場激光雷達(dá)系統(tǒng)，用于長期觀察武漢區(qū)域灰霾污染；中國科學(xué)院物數(shù)所龔順生和李發(fā)泉等47-48］研發(fā)了一套共振熒光激光雷達(dá)，并用該雷達(dá)觀測了武漢地區(qū)的鈉層［；中科院上海光機(jī)所劉金濤等［49］提出一套用測量大氣風(fēng)和氣溶膠的高譜分辨激光雷達(dá)（HSRL）系統(tǒng)；劉繼橋等［50］提出基于斐索（Fizeau）干涉儀的多普勒激光雷達(dá)技術(shù)；中國海洋大學(xué)吳松華等［51-52］研制出多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)，用于大氣風(fēng)場的精細(xì)測量；浙江大學(xué)劉東等［53］研制出基于馬克爾遜干涉儀的高譜分辨激光雷達(dá)，用于大氣氣溶膠的觀測研究。自激光雷達(dá)系統(tǒng)問世以來，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于大氣探測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域［54-58］。

早期的單波長激光雷達(dá)，可檢測大氣氣溶膠和云的光學(xué)特性，如氣溶膠消光系數(shù)、后向散射系數(shù)和光學(xué)厚度，以及大氣邊界層高度、云底和云頂高等基本參數(shù)［59-73］。隨著多波長偏振技術(shù)提出之后，多波長偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)被應(yīng)用于大氣探測領(lǐng)域中。除了觀測大氣氣溶膠和云的光學(xué)特性外，還可以觀測到大氣氣溶膠和云的簡單物理特性，如粒子大小和粒子形狀等［74-81］。而今隨著硬件技術(shù)的快速發(fā)展，各種多波長多功能的激光雷達(dá)系統(tǒng)也被投入環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中，如多波長偏振拉曼-米激光雷達(dá)、多波長高光譜分辨率激光雷達(dá)等［82-83］。由于可以同時獲取多個波段的信息，可以通過數(shù)學(xué)物理的方法，進(jìn)一步去反演大氣氣溶膠和云的粒徑譜分布、復(fù)折射指數(shù)和相函數(shù)等參數(shù)［84-87］。此外，通過拉曼散射的信號，還可以反演出大氣溫度和濕度的垂直廓線［88-101］?？偟膩碚f，大氣探測激光雷達(dá)可以有效地檢測出污染物特性和傳輸過程，對大氣溫度和濕度的變化進(jìn)行觀測，為全球以及區(qū)域氣候變化和大氣模型的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持［102-104］。

目前，我國自主研制的星載多波長高光譜分辨率激光雷達(dá)即將發(fā)射，它可以提供全球范圍內(nèi)的大氣氣溶膠的垂直廓線，并用來反演氣溶膠的光學(xué)和物理特性。這些信息在污染物傳輸和數(shù)值天氣預(yù)報方面有著十分重要的應(yīng)用前景。本文基于地基觀測數(shù)據(jù)，主要簡述多波長偏振激光雷達(dá)在大氣氣溶膠和氣象要素探測中的應(yīng)用，為之后的星載多波長高光譜分辨率激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理算法提供參考。

1 多波長偏振技術(shù)

1.1 大氣散射理論

激光雷達(dá)進(jìn)行大氣探測時，激光脈沖與大氣中的氣溶膠粒子、大氣分子和原子發(fā)生多種物理機(jī)制的相互作用，使激光在大氣傳播的能量和回波信號的能量強(qiáng)度或波長發(fā)生改變，對這些改變的信息進(jìn)行觀測、分析、反演，就能得到大氣中成分的相關(guān)信息［60-62］。激光與大氣的主要作用機(jī)理包括反射、折射、吸收、各種散射和誘導(dǎo)熒光等各種光學(xué)現(xiàn)象［63-65］。采用多波長激光雷達(dá)系統(tǒng)探測大氣氣溶膠時，主要考慮兩種散射機(jī)制——米散射和拉曼散射。

米（Mie）散射［11-12］是指當(dāng)粒子尺度接近或大于入射光波長時，其散射的光強(qiáng)在各方向是不對稱的，其中大部分入射光線沿著前進(jìn)方向進(jìn)行散射的現(xiàn)象，如圖1 所示。大氣氣溶膠粒子對入射光的散射強(qiáng)度具有方向性，向前和向后的散射都比較強(qiáng)，向側(cè)面的散射比較弱。發(fā)生米散射的大氣成分主要是大氣中尺寸較大的氣溶膠粒子和云，以及大氣污染物等。米散射屬于彈性散射，因此，入射光與散射光的波長一致。由于米散射的散射截面較大，所以接收米散射的后向散射信號時，回波信號比較強(qiáng)。

圖1 大粒子散射分布圖Fig.1 Scattering distribution of large particles

拉曼（Raman）散射指的是激光射入大氣后，大氣中的氮氣（N2）、氧氣（O2）、水汽（H2O）等大氣分子會產(chǎn)生振動和轉(zhuǎn)動拉曼散射［91-95］。拉曼散射是指大氣分子中的電子吸收光子并到達(dá)高能級，由于分子的振動或者轉(zhuǎn)動，電子躍遷不會回到原來的能級。因此，產(chǎn)生的散射光頻率不等于入射激光的頻率，而且頻移量跟分子的能級結(jié)構(gòu)也就是說與分子種類有關(guān)。拉曼激光雷達(dá)可以用于大氣溫度、水汽含量垂直分布的測量。

1.2 偏振技術(shù)

偏振技術(shù)是指在雷達(dá)的接收系統(tǒng)中加入了檢偏棱鏡［74-75］。一種的檢測偏振態(tài)的分光裝置如圖2所示。當(dāng)回波信號經(jīng)過檢偏器后，光信號被檢偏器劃分為兩個偏振方向，一個是方向與發(fā)射激光偏振方向平行的P 通道，另一個是方向與發(fā)射激光偏振方向相垂直的S 通道。之后兩個通道的光信號分別經(jīng)過探測和采集，最后進(jìn)入計算機(jī)處理系統(tǒng)。

2 激光雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用

多波長偏振激光雷達(dá)在大氣污染物探測中具有廣泛的應(yīng)用，可以準(zhǔn)確地獲取大氣氣溶膠的光學(xué)和物理參數(shù)，以及大氣氣象參數(shù)等。下面將詳細(xì)介紹激光雷達(dá)系統(tǒng)在污染監(jiān)測中的數(shù)據(jù)應(yīng)用。

圖2 檢偏器示意圖Fig.2 Schematic diagram of the analyzer

2.1 氣溶膠光學(xué)特性探測

首先，通過激光雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以反演相應(yīng)波段的氣溶膠的光學(xué)特性，包括氣溶膠消光系數(shù)、氣溶膠后向散射系數(shù)和氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）等。通過激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演得到的氣溶膠消光系數(shù)和光學(xué)厚度等參數(shù)，可以直接表征大氣狀態(tài)，得到大氣污染程度，并已經(jīng)得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛應(yīng)用。中國科學(xué)院安徽光機(jī)所的吳德承等［59］利用激光雷達(dá)對合肥地區(qū)對流層的氣溶膠光學(xué)特性進(jìn)行了長期觀察。蘭州大學(xué)黃忠偉等［60］利用三臺激光雷達(dá)聯(lián)合觀測了沙塵的光學(xué)特性。美國學(xué)者HAIR 等［61］采用高光譜分辨激光雷達(dá)研究了氣溶膠的光學(xué)特性等。

激光雷達(dá)系統(tǒng)接收到大氣散射的回波信號后，可以通過Fernald 法［102-103］計算出垂直方向上大氣氣溶膠的消光系數(shù)和后向散射系數(shù)，同時對垂直方向上的消光系數(shù)進(jìn)行積分，可以得到氣溶膠光學(xué)厚度。氣溶膠消光系數(shù)是指大氣氣溶膠對光的消散作用，氣溶膠濃度越大，對光的消散作用越明顯。光學(xué)厚度是指光在傳輸路勁上的總衰弱。

圖3（a）為532 nm 波段的氣溶膠消光系數(shù)的垂直分布。圖中顏色越紅表示消光系數(shù)值越大，顏色越藍(lán)代表消光系數(shù)越小。從圖3 中可以看出，大氣氣溶膠主要分布在0～1 km 的高度上。而且越接近地表，氣溶膠的濃度越大。在0～500 m 高度上，氣溶膠的消光系數(shù)均大于0.3 km-1。圖3（b）表示的是532 nm 波段氣溶膠光學(xué)厚度隨時間的變化趨勢?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)晚氣溶膠的光學(xué)厚度在0.4～0.6 內(nèi)變化。

圖3 氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)的垂直分布Fig.3 Vertical distribution of the optical properties of aerosols

2.2 氣溶膠物理特性探測

多波長偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)還可以觀測氣溶膠的物理特性，包括氣溶膠色比、氣溶膠退偏比、大氣邊界層高度，以及氣溶膠粒徑譜分布等信息。國內(nèi)外已有許多對氣溶膠色比和退偏比的觀測研究。日本學(xué)者SUGIMOTO 等［75］使用雙波長偏振激光雷達(dá)觀測了西北太平洋上空的沙塵和人為氣溶膠；德國學(xué)者FREUDENTHALERr 等［76］使用多波長偏振激光雷達(dá)研究了撒哈拉沙塵的退偏比；武漢大學(xué)劉博銘等［77］使用雙波長偏振激光雷達(dá)對武漢地區(qū)氣溶膠色比和退偏進(jìn)行了長期觀測；周天等［78］使用星載激光雷達(dá)CAILPSO 對塔克拉瑪干地區(qū)沙塵進(jìn)行了研究。

氣溶膠色比表示不同波段的氣溶膠后向散射系數(shù)的比值，色比反映了被測顆粒的大小，色比值越大，顆粒越大。氣溶膠退偏比表示同一波段垂直通道的后向散射系數(shù)與平行通道的后向散射系數(shù)的比值，它反映了被測顆粒的形狀特征，退偏比越大，顆粒越不規(guī)則。圖4（a）為532 nm 波段的后向散射系數(shù)與355 nm 波段的后向散射系數(shù)的色比值。圖4 中顏色越紅表示色比值越大，顏色越藍(lán)代表色比值越小。圖4（b）為激光雷達(dá)系統(tǒng)反演得到的532 nm 波段氣溶膠退偏比的垂直分布。由于沙塵和冰晶粒子的形狀不規(guī)則度高，所以退偏比通常用于區(qū)別沙塵和冰晶粒子。

圖4 氣溶膠物理特性參數(shù)的垂直分布Fig.4 Vertical distribution of the physical property parameters of aerosols

對于大氣邊界層高度查找的問題，傳統(tǒng)邊界層高度算法有梯度法、小波法等［65-66］，根據(jù)氣溶膠的垂直廓線，反演大氣邊界層高度。這是由于邊界層上下的氣溶膠濃度存在明顯差異，因此，氣溶膠垂直廓線在邊界層頂處存在一個顯著的梯度變化，可以通過梯度查找來確定邊界層高度。但是由于大氣狀態(tài)是不斷變化的，邊界層頂部存在殘余層，殘余層引起的梯度變化會影響大氣邊界層高度的反演。為了克服殘余層的影響，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究。蘭州大學(xué)的王珍珠等［67］提出了改進(jìn)的小波變換法來反演邊界層高度，以避免夾卷層的影響；荷蘭學(xué)者BRUINE 等［68］發(fā)展了一種圖像算法來反演邊界層高度；法國學(xué)者PAL 等［69］提出基于地球物理過程的技術(shù)來反演邊界層高度。此外，還可以發(fā)揮多波長激光雷達(dá)的優(yōu)勢，采用雙波長算法［70-73］，引入色比和退偏比信息，通過區(qū)分氣溶膠層和自由大氣來查找邊界層高度。如圖5 所示，不同大氣條件下，邊界層高度反演算法的結(jié)果對比。黑色點表示梯度法的結(jié)果，紅色點表示雙波長算法的結(jié)果。圖5（a）表示穩(wěn)定大氣條件下，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)時，不存在殘余層，此時兩種算法的結(jié)果是一致的。而在不穩(wěn)定大氣條件下，如圖5（b）所示，當(dāng)有殘余層存在時，梯度法會將殘余層頂部誤判為邊界層頂，導(dǎo)致邊界層高度反演結(jié)果偏高。而雙波長算法依然可以很好地查找到邊界層頂部。

圖5 不同大氣條件下，邊界層高度查找算法結(jié)果對比Fig.5 Comparison of boundary layer height by different algorithms under different atmospheric conditions

多波長偏振激光雷達(dá)可以提供多個波段的氣溶膠消光系數(shù)和后向散射系數(shù)，因此，還可以用來反演氣溶膠粒徑譜分布。目前國內(nèi)外在激光雷達(dá)反演粒徑譜的主流方法是采用多波長激光雷達(dá)信號，使用正則化的方法反演出粒徑譜。正則化反演大氣參數(shù)的理論體系最早由德國人MU¨ LLER［26］于1999年提出，他發(fā)展了針對6 波段激光雷達(dá)（355 nm、400 nm、532 nm、710 nm、800 nm、1 064 nm）的正則化多元大氣參數(shù)反演算法。近年來經(jīng)歷了數(shù)次改進(jìn)和技術(shù)突破，正則化算法作為多波長激光雷達(dá)反演多元大氣參數(shù)的整體框架是被認(rèn)可的。隨著激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的學(xué)者嘗試使用激光雷達(dá)研究大氣粒子的粒徑譜垂直分布問題。西安理工大學(xué)狄慧鴿等［84］采用兩個波段的消光信號和三個波段的后向散射系數(shù)反演氣溶膠粒徑譜的垂直分布；俄羅斯學(xué)者VESELOVSKII 等［31］采用兩個波段的消光信號和六個波段的后向散射系數(shù)來反演氣溶膠粒徑譜分布。這些研究表明，激光雷達(dá)反演粒徑譜最少需要兩個波段的消光信號和三個波段的后向散射系數(shù)，而且需要它們是非線性關(guān)系的。因此，可以使用多波長拉曼激光雷達(dá)或多波長高光譜分辨激光雷達(dá)對大氣氣溶膠粒徑譜分布進(jìn)行探測。它們都可以提供非線性關(guān)系的氣溶膠消光系數(shù)和后向散射系數(shù)。同時由于每個波長對應(yīng)的粒子尺度波峰是不一致的（如：在355 nm、532 nm和1 064 nm 波段的消光效率對應(yīng)的最大直徑分別為～0.48 μm、～0.64 μm 和～1.46 μm，而反向散射效率對應(yīng)的峰值為～0.92 μm、～1.38 μm 和～2.76 μm），這說明波長信息數(shù)量越多，對粒徑譜的反演效果越好。如圖6（a）所示，表示反演粒徑譜分布的基函數(shù)曲線，當(dāng)激光雷達(dá)波段數(shù)越多時，可以獲得的基函數(shù)曲線數(shù)量就越多。通過正則化算法，可以完整地重建出不同高度上大氣氣溶膠的粒徑譜分布，如圖6（b）所示。

2.3 氣象要素探測

激光與大氣物質(zhì)作用時，還會發(fā)生拉曼散射。散射光波的頻移量跟分子的能級結(jié)構(gòu)也就是與分子種類有關(guān)，因此，多波長拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)可以實現(xiàn)大氣溫度、水汽密度的測量。在探測大氣水汽方面，德國學(xué)者GERDING 等［88］在北極高緯度地區(qū)通過激光雷達(dá)探測對流層水汽；西安理工大學(xué)王玉峰等［89］使用拉曼激光雷達(dá)觀測了西安地區(qū)的大氣水汽；武漢大學(xué)王威等［90］在武漢地區(qū)對大氣水汽進(jìn)行了長期觀測。水汽含量的垂直分布圖如圖7所示。圖中顏色越深表示水汽含量越大，顏色越淺說明水汽含量越小，可以發(fā)現(xiàn)水汽一般集中在1.5 km 以下。

圖6 氣溶膠粒徑譜分布反演Fig.6 Inversion of the particle size distribution of aerosols

圖7 水汽的垂直分布Fig.7 Vertical distribution of water vapor

此外，還有許多關(guān)于多波長拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)探測大氣溫度的研究。中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所李亞娟等［91］和中國科學(xué)院安徽光機(jī)所劉玉麗等［92］基于純轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達(dá)對大氣溫度進(jìn)行高精度的探測；保加利亞學(xué)者ARSHINOV 等［100］和VAUGHAN 等［101］也利用拉曼激光雷達(dá)對大氣溫度進(jìn)行探測。

3 結(jié)束語

大氣探測激光雷達(dá)在大氣探測和環(huán)境監(jiān)測方面有著十分顯著的作用。本文介紹了多波長多功能大氣探測激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)應(yīng)用，可用來獲取大氣氣溶膠和云的光學(xué)和物理特性。如氣溶膠消光系數(shù)、后向散射系數(shù)和光學(xué)厚度等光學(xué)特性，還有氣溶膠色比、退偏比、粒徑譜分布和復(fù)折射指數(shù)等微物理特性。此外，還可以探測大氣邊界垂直結(jié)構(gòu)、大氣濕度和溫度廓線等參數(shù)。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)技術(shù)日新月異，各類新型激光雷達(dá)在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。全球已經(jīng)組建了許多地基激光雷達(dá)觀測網(wǎng)絡(luò)，而且世界上的航空大國都在積極進(jìn)行星載激光雷達(dá)計劃。利用地基網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星平臺的空間覆蓋大的特點，極大提升了垂直探測的能力，得到大氣資料的三維信息。但是在多波長多功能激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理算法上，還需要進(jìn)一步挖掘。要充分地使用多個波段的回波信息和新的數(shù)學(xué)物理算法來反演更多的大氣參數(shù)，為污染物傳輸、氣候模式和數(shù)據(jù)同化等研究提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。