拉曼氣溶膠激光雷達基本原理

以激光為光源，通過探測激光與大氣相互作用的光波信號來遙感大氣．光波與大氣中介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生包含氣體分子和氣溶膠粒子有關(guān)信息的輻射信號，利用適當?shù)姆囱莘椒ň涂梢詮闹械玫疥P(guān)于氣體分子和氣溶膠粒子的相關(guān)信息．利用彈性散射信號確定顆粒物消光系數(shù)的方法無法改變這樣的事實：根據(jù)雷達信號來同時確定氣溶膠消光系數(shù)和后向散射系數(shù)這兩個未知的物理量．系統(tǒng)主要分為三個部分：光學發(fā)射與接收光學系統(tǒng)、光電探測組件中的電子學系統(tǒng)(包括激光器電源、信號放大、采集和控制單元)以及信號存儲與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)．

應(yīng)用：目前主要應(yīng)用與大氣溫度測量以及大氣污染測監(jiān)測，北京奧運會期間曾經(jīng)利用這項技術(shù)進行了大氣能見度以及污染顆粒的檢測。

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(chǔ)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(nèi)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(shè)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(gòu)成,各類型氣溶膠均假設(shè)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(fù)折射指數(shù)),個例和統(tǒng)計分析表明結(jié)果合理。

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拉曼氣溶膠激光雷達特點

（1）激光能量：在355nm單脈沖能量可達~30mJ；

（2）200mm大口徑望遠鏡，有效提升信號效率；

（3）***的信噪比，探測距離可達10~15km；

（4）系統(tǒng)可以全自動遠程控制；

（5）系統(tǒng)包含標準軟件包：雷達控制、數(shù)據(jù)分析和實時顯示及存儲。

（6）符合歐盟標準人眼安全等級60825-1:2007；

（7）兼容歐洲氣溶膠研究激光雷達觀測網(wǎng)（EARLINET）要求；

（8）品質(zhì)保證：ISO9001:2008管理體系認證；

（9）應(yīng)用領(lǐng)域：氣象、環(huán)境、軍事、科學研究等。

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濟南開展拉曼氣溶膠激光雷達觀測工作

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為快速獲得區(qū)域內(nèi)大氣顆粒物分布情況，有效分析顆粒物污染的生消過程和跨界輸送，為濟南市大氣污染提供數(shù)據(jù)支撐，濟南市環(huán)境監(jiān)測中心站近期組織開展了氣溶膠激光雷達走航觀測工作。此次走航觀測工作由1月初開始，3月中旬結(jié)束，為期二個多月，分為市區(qū)內(nèi)走航和長途走航兩部分。市區(qū)內(nèi)走航觀測路線包括濟南市二環(huán)沿線、繞城高速沿線、經(jīng)十路全程以及各個空氣站周邊等我市污染特征明顯路線和區(qū)域。長途走航結(jié)合污染物傳輸過程，可實時反演不同高度氣溶膠濃度，包括北京至濟南和濟南至龍口兩條路線。     車載激光雷達技術(shù)是基于米氏散射原理，利用激光對大氣顆粒物的時空分布進行遙感探測，獲取大氣消光系數(shù)、退偏振比、邊界層高度、光學厚度等參數(shù)，分析區(qū)域污染物分布、輸送特征與來源。此次激光雷達走航充分利用車載激光雷達技術(shù)，結(jié)合激光雷達數(shù)據(jù)、地面氣象數(shù)據(jù)、后向軌跡分析等對濟南市大氣顆粒物污染進行了深入的討論和分析，對摸清濟南市大氣顆粒物污染的時空分布和輸送規(guī)律，實時反映重污染天氣演變過程具有重要意義，為政府決策者制定大氣重點防治策略積累大量監(jiān)測數(shù)據(jù)。