大氣拉曼氣溶膠激光雷達

大氣氣溶膠的氣候強迫是目前氣候變化因素中不確定性大的一項。氣溶膠的光學特征直接影響大氣輻射過程,也可以通過在微物理過程中與云-降水的相互作用間接影響輻射過程。有必要對氣溶膠光學和微物理參數(shù)進行實時連續(xù)監(jiān)測,降低氣溶膠輻射強迫在天氣和氣候模式中的不確定性。本研究利用多波段Raman激光雷達(355、532和1064nm)對北京上空氣溶膠進行了連續(xù)觀測,建立了光學參數(shù)的自動算法[1,2],并在此基礎上提出了環(huán)境氣溶膠微物理參數(shù)的3波段Raman激光雷達反演算法[3,4]。實現(xiàn)了對北京上空氣溶膠光學和微物理參數(shù)垂直分布的實時監(jiān)測反演。2016年12月至今,在北京大學(39.99N,116.31E)校內樓頂,利用北京大學環(huán)境科學系及國家重點實驗室的一臺多波段Raman激光雷達,對北京上空氣溶膠進行了連續(xù)觀測。利用觀測得到的米散射和Raman散射信號,建立了355、532和1064nm后向散射系數(shù)及355nm消光系數(shù)的自動反演算法,得到了北京地區(qū)上空氣溶膠光學特征。根據(jù)6S輻射傳輸模式中氣溶膠模型,假設北京上空氣溶膠由黑炭型(Soot)、可溶型(Water Soluble)和沙塵型(Dust)組合構成,各類型氣溶膠均假設為對數(shù)正態(tài)分布;利用T-matrix米散射模型,計算三種氣溶膠的光學參數(shù)(355、532和1064nm后向散射系數(shù)和355nm消光系數(shù))制作查算表,查算表變量包括三種氣溶膠數(shù)濃度(N1,N2,N3)和可溶性氣溶膠中心粒徑(rg)。對比光學參數(shù)的觀測值和模擬值,得到三種氣溶膠數(shù)濃度和可溶型氣溶膠中心粒徑的優(yōu)解,進而計算氣溶膠微物理參數(shù)(有效半徑、表面積濃度、體積濃度和復折射指數(shù)),個例和統(tǒng)計分析表明結果合理。

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拉曼氣溶膠激光雷達應用范圍

大氣邊界層（PBL）的結構和時空演變特征

大氣氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線和時間演變特征

云層高度和云層厚度氣溶膠光學厚度和時間演變特征

監(jiān)測城市上空環(huán)境污染的擴散規(guī)律

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拉曼氣溶膠激光雷達

激光雷達的空間掃描方法可分為非掃描體制和掃描體制，其中掃描體制可以選擇機械掃描、電學掃描和二元光學掃描等方式。非掃描成像體制采用多元探測器，作用距離較遠，探測體制上同掃描成像的單元探測有所不同，能夠減小設備的體積、重量，但在我國多元傳感器，尤其是面陣探測器很難獲得，因此國內激光雷達多采用掃描工作體制。

機械掃描能夠進行大視場掃描，也可以達到很高的掃描速率，不同的機械結構能夠獲得不同的掃描圖樣，是目前應用較多的一種掃描方式。聲光掃描器采用聲光晶體對入射光的偏轉實現(xiàn)掃描，掃描速度可以很高，掃描偏轉精度能達到微弧度量級。但聲光掃描器的掃描角度很小，光束質量較差，耗電量大，聲光晶體必須采用冷卻處理，實際工程應用中將增加設備量。

用激光器作為輻射源的雷達。激光雷達是激光技術與雷達技術相結合的產(chǎn)物 。由發(fā)射機 、天線 、接收機 、跟蹤架及信息處理等部分組成。發(fā)射機是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導體激光器及波長可調諧的固體激光器等；天線是光學望遠鏡；接收機采用各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測器件等。激光雷達采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測方法分直接探測與外差探測?！?

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