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大气颗粒物监测激光雷达

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基本参数

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青岛和诚

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详细说明

大气颗粒物监测激光雷达

激光雷达是一种主动遥感技术,是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。50多年来,激光雷达技术从简单的激光测距技术,逐步发展了激光跟踪、测速、扫描成像、多普勒成像等技术,陆续开发出不同用途的激光雷达,使激光雷达成为一类具有多种功能的系统。激光雷达之所以受到关注,是因为其具有一系列独特的优点:具有极高的角分辨率、具有极高的距离分辨率、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强、比微波雷达的体积和重量小等。随着技术的不断成熟,成本的下降,其他领域陆续引进了激光雷达,并发挥着非常重要的作用。 
  激光雷达的结构和原理 
  一般情况下,激光雷达主要由三部分组成,激光发射单元,信号探测控制单元和光学接受单元。激光发射单元发射出激光脉冲,在传输过程中遇到粒子会产生一个向后的反射信号,光学接受单元接受到这个信号并进行处理,把光信号放大转化成电子信号输出。根据反馈信号的强度可以确定所研究粒子的浓度,粒子所处的高度可以由从发射到接受之间的时间间隔来确定。 
  激光雷达的方程为: 
  P(Z)为激光雷达接收到的高度Z处的大气后向散射回波信号的能量,E为激光雷达的发射能量,C是激光雷达常数,和发射频率,接收灵敏度等有关;Z是到激光雷达到目标粒子的距离; 
  βtotal是总的后向散射系数,βmol是空气后向散射系数,βpart是气溶胶后向散射系数; 
  σtotal是总的消光系数,是激光脉冲在传输过程中衰减产生的, σsmol是空气散射系数,σspart是气溶胶散射系数,σAmol是空气气吸收系数,σApart是气溶胶吸收系数。 
  求解激光雷达方程常有的有三种方法:Collis斜率法,Klett[1]方法和Fermald[2]方法。Collis斜率法假设大气是均匀分布,消光系数为常数。当在水平方向进行测量,可以忽略细小差异,认为大气是均匀,应用此方法比较简便。如果观测垂直方向上的大气垂直分布,大气分布不均匀的现实并不能忽略,故不能采用此方法。这时通常采用Klett算法来求解,在此算法中,假设β=C0σkβ,其中C0为常数,k取决于雷达激光的波长和气溶胶的性质,取值范围一般在0.67~1。再结合激光雷达方程就可以得到结果。其中k的取值对计算的结果有很重要的影响。张文煜,王音淇等[3]结合能见度因子和CE318太阳光度计观测数据,对k在不同天气状况下的取值进行了初步研究,结果表明:只有当0.7≤k≤1.0时,气溶胶消光系数的大小与能见度估算出的值相接近。但在k=0.7时,计算出的气溶胶消光系数正、负参半; k=1.0时,消光系数廓线在晴天无云的天气状况下同实际情况不符。通过进一步分析研究激光雷达和光度计的同期观测资料发现:k=0.8时,较合理的数据所占比例为100%,k=0.98,比例为40%,k=1.0仅为12%。通过采用Klett方法可以克服均匀大气的限制,使结果更符合实际。但当气溶胶和大气的消光作用相差不大,大气的消光作用不能忽略时,就必须采用第三种Fermald方法。Fermald方法将大气看做两个部分:空气分子和气溶胶,认为大气消光系数(或后向散射系数)是空气分子的消光系数(或后向散射)与气溶胶消光系数(或后向散射)的和,在实际的应用中,Klett和Fermald方法应用更广泛。 


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