米散射激光雷达探测大气消光特性研究

米散射激光雷达探测大气消光特性研究

顾江

【摘 要】激光雷达作为一种主动遥感探测工具,广泛用于大气环境等研究领域,特别

是探测对流层内大气气溶胶和卷云的光学特性以及大气水平能见度.在阐述大气气

溶胶探测原理及信号处理的基础上,提出一种工程可行的米散射激光雷达及数据处

理的设计方案,利用此雷达对苏州城区大气气溶胶特性进行测量,并利用Fernald方

法反演了其消光特性,通过实验数据分析了苏州城区的重要大气光学特性,充分显示

了米散射激光雷达在大气特性探测领域的优越性.

【期刊名称】《现代电子技术》

【年(卷),期】2009(032)023

【总页数】3页(P30-32)

【关键词】激光雷达;米散射;气溶胶;消光特性

【作 者】顾江

【作者单位】常熟理工学院,江苏,常熟,215500

【正文语种】中 文

【中图分类】TN95

0 引 言

Mie G在20世纪初提出介质中粒子对光的散射理论，阐述了各向同性球形粒子在

高度稀释的介质中其散射与粒子直径、粒子与介质间折射率之差、介质粒子与入射

光波长之间关系。根据该理论，将直径与辐射波长相当的粒子所发生的散射称为米

散射，如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等对激光的散射。米散射的辐射强度与波长的

平方成反比，散射在向前比向后更强，方向性明显，可以利用该特性测量大气中气

溶胶特性来分析当地特定时刻大气特性。

气溶胶(Aerosols)是指固体或和液体微粒稳定地悬浮于气体介质中形成的分散体系，

其粒子大小在0.01～10 μm之间。大气中的气溶胶通过吸收辐射或散射辐射影响

气候，同时也会成为凝结核而影响云层的性质。相比于自由大气层，大气边界层的

垂直结构和时空变化均可表现在气溶胶特性变化上，因此可将气溶胶作为大气边界

层动态追踪的示踪剂。米散射激光雷达对大气的遥感正是基于激光与大气气溶胶的

相互作用，实现大气边界层结构状态的实时监测，且在时间上可连续测量，具有较

高的空间分辨精度。

目前国内所使用的气溶胶探测激光雷达产品几乎全部依赖于进口，中科院安徽光机

所、大气物理所、西安理工大学、四川大学及苏州大学等单位也开展了米散射激光

雷达的研制工作[1-3]，取得了一些成果，但在激光雷达的小型化、实用化及产品

化上还需进行大量的研究工作。文中提出一种工程可行的米散射激光雷达系统及数

据处理设计方案，利用该雷达系统对苏州城区大气气溶胶特性进行测量，并使用

Fernald方法反演了其消光特性，通过对实验数据处理分析了苏州城区的重要大气

式中：P(r)表示距离为r处的回波功率；Pt表示雷达发射功率；c表示光速；τ表

示单个脉冲时间；A表示系统接收机有效面积；β(r)表示包含大气分子及气溶胶粒

子的后向散射系数；σ(r)表示气溶胶粒子在距离r处的消光系数。

该测量过程是建立在光子计数的概念上，信号处理系统中的光子计数器实际记录的

是与回波信号功率相应的光电子数：

(2)

式中：E表示激光发射脉冲能量；λ表示激光发射波长；h为Plank常数；Δr表示

其最小距离分辨率；Y(r)表示激光雷达收发重叠因子,可通过假设远场激光束振幅为

高斯分布或者平面波分布，应用闭式求解[5]。而在实际情况下重叠因子随距离变

化，且两视场完全重合处的距离也会受多种因素影响，可以利用实验接收到的水平

均匀大气回波信号通过斜率法计算其分布[6]。

米散射激光雷达测量大气光学特性本质上就是对雷达方程式(2)求解，通过接收到

信号(光子数量N(t))联合若干已知条件，求解大气光学消光特性的β(r)和σ(r)的过

程。由于有两个未知量，这成为求解米散射激光雷达方程的难点。本方案中采用

Fernald方法求解，反演大气中气溶胶和云层粒子的消光系数。该方法由学者

Fernald提出[7]，也是国内相关研究人员普遍采用的算法。算法中将大气看做两

部分：空气分子与气溶胶，认为大气消光系数(或后向散射系数)是空气分子消光系

数与气溶胶消光系数的和，在此基础之上给出了米散射激光雷达方程的解。如果已

知高度rc处气溶胶粒子和空气分子消光系数，则rc以下高度上的气溶胶粒子消光

系数σ1(r)(后向积分)为：

/

(3)

式中：X(r)=P(r)·r2，表示距离平方修正后的大气回波信号;Si=σi/βi(i=1,2)，下标i

分别表示气溶胶与空气分子，在工程应用中通常S1根据不同情况而事先给定，而

S2=8π/3;空气分子的消光系数σ2(rc)可以根据散射理论由美国标准大气模式提供

的空气分子密度的垂直廓线计算得到，也可以由探空资料计算获得，或直接引用

LOWTRAN7的结果，通常在标定高度rc下，选取不含气溶胶粒子的清洁大气层

所在高度来确定。例如，对于532 nm波长的激光雷达来讲，σ2(rc)由设定的气溶

胶散射比1+β1(rc)/β2(rc)=1.01来确定(有时设定为1.02 或1.05)[8]。类似的方

法可以得到rc以上高度上的气溶胶粒子消光系数(后向积分)[7]。

2 雷达系统组成

米散射雷达采用单波长激光雷达系统工作，主要由激光发射及接收光学单元、信号

采集与处理单元两大部分组成。其具体结构组成如图1所示。

图1 米散射激光雷达结构图

2.1 激光发射及光学接收系统

激光发射系统包含脉冲激光器、激光器电源、扩束镜三部分，该单元功能是将经过

整形和扩束后的激光脉冲向指定路径发射。光学接收系统由接收望远镜、窄带滤光

器、光电探测器等组成，该单元主要收集大气的后向散射光特性并将其送至信号处

理系统。其中关键组件接收望远镜用于接收激光雷达回波信号，其焦平面上需设置

小孔光栅，以控制其接收视场。

2.2 信号处理系统

信号处理系统由光电检测器、光子计数器和计算机等组成，其核心部分是光电检测

器。该系统完成光电转换、电信号处理、存储及显示等任务。此外，该系统还完成

对激光器和门控电路实行时序控制的功能。在此过程中需要将光电转换后的电信号

进行一系列放大、采样和累加平均处理，使之成为能反映回波信号强度随探测高度

(或距离)而变化的激光雷达回波数据，然后以适当方式显示。图2给出了该激光雷

达系统的具体实物图。

图2 米散射激光雷达实物图

该激光雷达系统的主要参数如表1所示。

表1 米散射激光雷达主要技术参数名称参数工作波长1 064 nm光束发散角50

μrad接收望远镜卡塞格林型视场100 μrad空间分辨率50,75,150 m脉冲重复频

率20 Hz脉冲宽度10 ns接收系统口径200 mm滤光片带宽0.1 nm

3 实验数据处理及分析

从2003年底到2004年，笔者应用小型米散射激光雷达系统对苏州市(东经

120:39E，北纬31:20N)市区上空的大气分子和大气气溶胶的消光系数等光学参数

进行了常规探测，积累了宝贵的实验数据，得到了苏州市区部分重要大气光学特性。

图3显示了不同时间段、不同天气状态下所探测的云层消光系数分布状况。

图3 米散射激光雷达探测的云层消光系数分布

其中，图3(a)给出了7月10日所探测的消光系数曲线。可以看出，在7～11 km

高度范围之间，消光系数凸起，其最大值出现在高度8.8 km，约0.182 km-1，

该段内平均消光系数值为0.005 1 km-1，比晴朗天空气溶胶的消光值大2～3个

量级。经分析该段应该是移动的云块，从7.5 km附近延伸到11 km处，其厚度

达3.5 km。其内部由有三层构成，厚度不同，最大的厚度达到1.8 km。经推测其

属于三层积云，并且连接成片，属于高空云系，引起降水的几率很小，而当晚的苏

州气象资料也显示没有降水。

为了显示对比结果，图3(b)给出同一天中两个不同时刻所探测的消光系数分布。

可以看出在1～2 km范围内出现了一层分布较为均匀的厚云层。在当天18:40，

云层高度为1.2～1.86 km，层内消光系数平均值为0.053 km-1。20 min后，云

层内消光系数迅速增大，最大值达到0.205 km-1，其均值增加到0.106 km-1,并

且快速下降，云底到达高度1.05 km附近。从以上分析可知，该云层是典型积雨

云，预示着即将到要的降雨。而从当天的气象预报可知，从19：15开始就下起阵

雨。

此外，在图3(b)图中，在2 km以上段内消光系数几乎为零。这是由于积雨云层

的较大消光系数而导致发射激光在其内损失很大，所以基本没有雷达散射回波信号。

该现象也表明了米散射激光雷达在较差天气状况下工作会受到一定程度的限制。

4 结 语

本文介绍了激光雷达方程及大气气溶胶探测原理，提出一种工程可行的米散射激光

雷达及数据处理系统的设计，对大气中气溶胶进行了测量，并通过Fernald方法

反演了其消光特性，给出了探测结果，并对测量数据进行了简要分析，为红外辐射

和激光在大气中的传输提供了重要光学参数。

利用米散射激光雷达测量大气光学参数在我国尚属新兴课题，在国际上也属于年轻

的领域。随着激光技术、探测器技术及计算机技术等迅速发展，激光雷达探测的灵

敏度等指标必将进一步提高，其测量结果更加准确可靠，进而促使其应用范围更加

广泛。

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