激光雷达在沙尘暴观测中的应用——数据的解析及表述.pdf

激光雷达在沙尘暴观测中的应用——数据的解析及表述 董旭辉1 祁辉1 任立军1 杉本伸夫2 王雁鹏1狄一安1 陈岩1 坂本和彦3 l国家环境分析测试中心北京100029 2日本国立环境研究所 3日本琦玉大学大学院 摘要本文阐述了NIES型激光雷达的工作原理和主要工作参数，探讨了激光雷达方程在沙尘暴监测中 的应用条件，对激光雷达所获取的各种信息进行处理，分别用光化学强度、后项散射强度、退偏振率、 双波长校正等对沙尘天气进行了解析，进而用消光系数表示和计算在垂直方向沙尘浓度的分布；根据其 在沙尘暴监测、大气环境监测等方面的实际应用，总结出适合于不同天气状况的解析方法和解析图形， 并针对不同天气状态下的大气污染状况来源解析进行了尝试。 关键词激光雷达沙尘天气消光系数大气污染 l前言 大气遥感技术分为主动式和被动式两种。被动式大气遥感技术主要依靠接受大气自身 发射的红外光波或微波等辐射而实现对大气参数的探测。20世纪60年代以来，人们将各 种被动摇感仪安装在人造卫星上，以对地观测的方式对地球大气进行遥感探测从而开辟了 大气遥感的一个新领域：．卫星大气遥感，它被广泛应用于气象观测业务和大气科学研究中。 主动式大气遥感技术是由遥感探测仪器发出波束，此波束与大气物质相互作用而产生 回波，通过检测回波而实现对大气的探测。由于主动式大气遥感探测仪器既要发射波束， 又要接受回波，因此其机构比被动式大气探测仪要复杂，但探测能力相应要强得多。主动 式大气探测仪器的代表是20世纪40年代发明的微波气象雷达和60年代发明的大气探测激 光雷达。 微波气象雷达的工作波长在1．100mm，反映的是大气中大尺寸粒子的情况。大气探测 激光雷达的工作波长则在约O．1．109m，可与大气中原子、分子和粒子相互作用而产生回波， 因此大气探测激光雷达正是本论文中所关注的。 激光雷达(LIDAR)是指以激光为光源的雷达系统，利用大气气溶胶、云等对激光的 散射特性，测定其分布特征的观测手法，是现阶段获得大气气溶胶各光学性质、空间垂直 分布以及相关信息的有效遥感技术【l41。1960年第一台激光器问世，仅时隔3年就发明了 大气探测激光雷达。这说明激光雷达在大气探测方面有着独特的技术优势。1963年美国 MIT的菲奥科(Fiocco)等人首先使用Mie散射测定高层大气混浊度，同年利格达叫gda)等 人利用Mie散射激光雷达对对流层的气溶胶进行了观测。70年代后半叶Mie散射激光雷达 己进入了完全实用阶段。 2001年3月为了配合国家环保总局重点科研项目“黄沙与沙尘暴对北京大气颗粒物影 一172— 响的研究，，工作，在中日友好环保中心设置了连续监测的偏振光激光雷达系统(NIES型激 光雷达)【5】o 2003年11月课题组在内蒙古的呼和浩特又设置了一台同型号的激光雷达进行 连续观测。 本文优化了NIES型激光雷达的工作原理和主要工作参数，探讨了激光雷达方程在沙 尘暴监测中的应用，对激光雷达所获取的各种信息进行处理，进而用消光系数表示和计算 在垂直方向沙尘浓度的分布；根据其在沙尘暴监测、大气环境监测等方面的实际应用，总 结出适合于不同天气状况的解析方法和解析图形，并针对不同天气状态下的大气污染状况 来源解析进行了尝试。 2 NIES型激光雷达的工作原理及主要工作参数 Mie．散射激光雷达测定大气气溶胶的原理及基本构造如图1所示。利用激光雷达观测 大气气溶胶时，激光脉冲被发射到大气中，然后被大气气溶胶散射，后散射光被望远镜收 集并作为时间的函数被检测。延迟时间与激光脉冲被散射的高度相对应，回波信号的功率 与大气气溶胶的密度成正比。根据其观测结果，即可得到大气气溶胶的密度谱。 一般来说，激光雷达的灵敏度由发射光的能量和接收望远镜的直径决定的。记录仪的 准确度以及检测器的特性都是决定灵敏度或信噪比的重要因素。然而，探测的优化条件依 赖于激光雷达的应用。例如，在同温层观测，高能量和大直径的望远镜被用于收集很弱的 散射光。在观测沙尘和空气污染物时，没有必要用高能量的激光和直径大的望远镜。 本研究使用的NIES型激光雷达与Mie．散射激光雷达散射原理是相同的【6，71，其结构如 图2所示。 图1 Mie一散射激光雷达散射原理图 图2 NIES型激光雷达的主要构造 NIES型散射激光雷达的一个功能是多波长测量，两种波长1064nm和532nm可以同 时发射，激光束经过光束扩柬器校准后被发射，散射光用直径为20cm的Schmidt Cassegrain 望远镜接收。 它的一个新增功能是利用散射光偏振的变化测量退偏振量。具有退偏振量测定功能的 ——-173‘—— 激光雷达称为偏振激光雷达。在测定退偏振量时，首先发射线性的偏振激光，反射回来的 散射光(与发射方向平行的或垂直的)用两个独立的偏振组分元件分别