激光雷达探测气溶胶实验报告

南京信息工程大学

激光雷达探测气溶胶实验报告

摘要：大气气溶胶影响着天气和气候的变化，通过用激光雷达对水平大气中的气溶胶进

行连续观测，得到大气气溶胶浓度的高度分布数据，用Klett法反演和斜率法得到了气溶胶

消光系数数值并利用MATLAB程序用计算机对所得实验数据快速方便地直接得出出测量结果

和图示。

关键词： 气溶胶；激光雷达；探测；Klett反演算法；斜率法；消光系数；MATLAB

前言

大气气溶胶是指悬浮在大气中直径为0.001—100μm的液体或固体微粒体系。对流层气

溶胶的形成与地球表面的生态环境和人类活动直接相关。地面扬尘、沙尘暴、林火烟灰、花

粉与种子、海水溅沫等是对流层气溶胶的自然源,人工源则是由工业、交通、农业、建筑等

直接向对流层中排放的气溶胶粒子。同时,对流层大气中许多气态污染物的最终归宿是形成

气溶胶粒子,如二氧化硫、氮氧化物、碳氢化合物等通过气粒转化生成气溶胶粒子。这些气

溶胶粒子通过吸收和散射太阳辐射以及地球的长波辐射而影响着地球大气系统的辐射收支,

它作为凝结核参与云的形成,从而对局地、区域乃至全球的气候有着重要的影响。对流层气

溶胶粒子对激光的吸收和散射作用使它成为激光大气传输的重要消光因子。

激光雷达为大气气溶胶探测研究提供了有力的工具。数十年来,激光技术的不断发展为

激光雷达大气气溶胶探测提供了所需要的光源。另一方面,信号探测和数据采集及其控制技

术的发展使激光雷达在大气气溶胶的探测高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度

等方面具有全面的优势,是其它探测手段不能比拟的。

本文介绍该激光雷达的总体结构、技术参数及其工作原理,同时给出了大气气溶胶的垂

直消光系数廓线以及典型测量结果的分析和讨论。

1，研究的目的

大气中，尘埃、烟雾、云团等气溶胶粒子对大气的化学过程、辐射平衡、气候变化乃至

人们的日常生活都有着非常重要的影响。因此，对大气气溶胶粒子的光学特性的探测研究一

直是大气科学、气象探测和环境保护的一项重要任务。

近年来，中国经济的飞速发展已受到全世界的关注。然而，这种快速的经济增长也伴随

着社会体系的变革，高度的工业化和城市化造成许多气溶胶粒子和温室气体被排放到大气，

带来了一系列的环境问题，对可持续发展有着严重的负面影响，同时对人们的日常生活和身

体健康存在着严重的威胁。如何获取环境变化的第一手资料，准确地提供大气物性及其变化

趋势，是当前环境测量领域的一项迫切任务。

激光雷达作为一种主动遥感探测工具，已广发用于大气气溶胶辐射效应、大气环境等研

究领域。在其探测高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有的独到优势，

是其他探测手段不能比的。 利用激光雷达探测城区对流层气溶胶工作已在我国北京、合肥、

苏州、西藏那曲等部分地区开展，然而环境监测的数据信息还远远不够，对我国的大气环境

状况的评估需要大量的气溶胶监测数据的支撑。如西部地区特殊的地理位置和气候条件及进

来的高度的经济发展状况，造成大气中的气溶胶粒子含量较高，空气污染较为严重。对西部

地区上空开展气溶胶时空分布探测及其输送特性研究，一直是气象、环保部门所关注的研究

课题。特别是起源于我国北方地区频繁发生的沙尘暴事件已引起国内国际的关注，沙尘暴已

成为一个重要的地球环境问题。但地面探测仪如太阳光度计、粒子取样计等仪器还无法实现

对气溶胶时空分布的剖面极其输送特性的实时探测，也很难实现长期观测。而利用米散射激

光雷达实际探测沙尘气候，判断沙尘的相对浓度分布，为利用激光雷达技术进一步研究沙尘

的发生及输送规律等奠定基础。

2 气溶胶消光系数的反演算法

激光雷达接受的高度z处的大气后向散射回波信号能量P(z)由激光雷达方程决定：

P(z)=

式中错误!未找到引用源。激光发射的功率，C为激光雷达系统常数，z为探测距离，

和错误!未找到引用源。分别为高度z处大气总的后向散射系数和消光系数。

在利用激光雷达信号反演大气消光系数的算法中，比较常用的有Klett法和Fernald

法，对一般大气环境，常采用Klett法反演大气消光系数。Klett法中假设气溶胶后向散

射系数错误!未找到引用源。和消光系数错误!未找到引用源。之间存在如下指数关系：

其中，B和k与激光雷达波长以及气溶胶粒子的性质和尺度谱分布有关，k的取值在

0.67-1.3之间，取k=1，令S=1/B，则有错误!未找到引用源。=S,S称为激光雷达比，

这里假设S=40sr。

设激光雷达回波信号的距离平方修正函数为：

D(z)P(z)

=

若事先已知某一边界值高度错

误!未找到引用源。则

错误!未

找到引用源。

式中错误!未找到引用源。分别为大气分子消光系数和后向散射系数。

上两式中，高度z处的大气分子消光系数和后向散射系数可以通过美国标准

大气模型获得。如果测量高度较高，可选取一段近乎不含气溶胶粒子的清洁大气层，在这段

高度范围内，对激光雷达距离校正对数回波信号进行最小二乘拟合，根据Collis的斜率法可

知，该回归曲线斜率的一半为大气分子的消光系数，从而得到大气分子的消光系数高度分布

模型。这种取值方法更加切合当时的大气状况，取其中某一高度作为边界值高度，

此时边界值中就只含有大气分子的成分。如果测量高度不够高，就选取一段较

为均匀的大气层，对该高度范围内激光雷达距离校正对数回波信号进行最小二乘拟合，回归

曲线斜率的一半即为高度处的边界值。

3 米散射激光雷达实验系统

米散射激光雷达实验系统构成示意图如图3，系统采用Nd：YAG脉冲激光器作为

光源，为了提高白天测量的能力并考虑到入眼安全，选用其三次谐波波长355nm作为探

测波长。激光束经准直扩束后垂直射入大气，大气的后向散射光由视场角为0.1mrad、

直径为250mm的望远镜接收，并耦合进入多模光纤。光纤输出信号经准直后入射到一

块高光谱分辨率光栅（光栅刻划密度为2400gr/mm，谱分辨率为6pm），光栅衍射后的

大气回波信号经过透镜聚焦，在焦平面上形成光谱分布，利用小孔光阑，分离出主要的

大气回波信号（米散射和瑞利散射），同时剔除大部分太阳背景及非弹性散射信号，最

后米散射和瑞利散射信号由光电倍增管监测。这里，光栅、透镜和光阑组成了一个带宽

为1nm的分光系统，光电倍增管探测到的散射信号再送入计算机进行数据处理与参数反

演。激光雷达系统参数示于图1。

图3 米散射激光雷达实验系统构成

4 实验方法、结果及讨论

测量可在无雨的夜晚中进行.整个测量分两个阶段进行.第一阶段激光雷达呈水平指向。

通过控制软件设定其距离分辨率为30m(可编程)，最大作用距离为15km(可变)，并指令探测

器进行15min的回波信号采集，从而直接获取水平程的大气回波信息。第二阶段，保持其他

参数设置不变，旋转激光雷达扫描平台，调整其呈倾斜指向，用于获取斜程或垂直大气散射

回波信号。对于每一个次测量的原始数据，首先是应扣除天空背景光、接收电子仪器的暗电

流和热噪声等产生的背景信号：其次，由于在过渡区内激光光束仅仅一部分在接收望远镜的

视场内，故要对这部分激光光斑面积进行归一化的几何重叠因子修正，以保证回波信号的全

部接收。最后，依据Klett方法进行数据反演即可获得大气气溶胶垂直消光系数的廓线。

4.1 信噪比的改善

和其他光电探测技术一样,提高信号的信噪比对于激光雷达的探测灵敏度、可达的空间

跨度等十分重要,因此系统的整个设计都必须尽量达到最佳的匹配,譬如:高光学透过率的光

路设计,高量子效率的光电探测器,合适带宽的滤波器等

在后续的探测光路中插入了带宽为2nm的窄带1064nm的滤光片,用于滤去背景杂散光,

提高探测的信噪比。

5 总结

通过用激光雷达对水平大气中的气溶胶进行连续观测，得到大气气溶胶浓度的高度分布

数据，用Klett法反演和斜率法得到了气溶胶消光系数数值并利用MATLAB程序用计算机

对所得实验数据快速方便地直接得出出测量结果和图示。总体实验流程操作并不复杂困难，

易于实现，且具有一定的实用价值。

随着该项实验研究的继续深入以及将来观测数据的不断积累，该研究成果将大力有助于

大气环境颗粒状气溶胶的发生、传输等时空特性，以及大气辐射和城市热岛等城市气息特征

的产生机理、传输规律的研究，并为这些研究工作提供实时的科学数据支撑。