赵一鸣，潘 超，王丽东，张玉石

（北京遥测技术研究所 北京 100076）

引言

大气气溶胶是指固体或液体微粒在大气中形成的相对稳定的悬浮体系。习惯上，大气气溶胶不包括云雾及降水粒子。通常气溶胶在大气中的含量变化很大，虽然粒子数含量很低，却扮演着十分重要的角色，对大气环境、气候辐射和光在大气中的传输等有着重要的影响。因此，对气溶胶散射和吸收特性、转化特性及其时空分布的测量与研究已经成为气候、环境和大气研究的共同问题［1］。

激光雷达是一种主动遥感设备，由于激光具有高准直、高单色性、高亮度等特征，因而激光雷达对大气的探测具备很多独特的优点。相比无线电雷达和微波雷达，激光雷达的波长较短，容易和大气中的分子、气溶胶以及云雾发生相互作用，因此适合用于探测大气成分的光学及物理学参数［2］。

传统的米散射激光雷达反演气溶胶的光学性质，需先假定激光雷达比的值，然而激光雷达比取决于气溶胶的组分、气溶胶颗粒的大小以及大气折射率等气溶胶的理化特性，并且该参数是随着时间和空间变化的。利用多波长拉曼偏振大气探测激光雷达探测气溶胶的光学特性，避开了对激光雷达比的假设而使用拉曼散射通道的数据，因此它在气溶胶光学性质反演准确度方面具备一定的优势。本文介绍一台多波长拉曼偏振大气探测激光雷达，并对河北省望都县交通局绿化基地的观测数据进行分析和讨论，探测和反演了气溶胶的消光系数、后向散射系数和激光雷达比以及PM2.5质量浓度的垂直分布。该观测试验可对河北望都大气环境进行高度分布监测，能够扩展对大气气溶胶的监测范围，可以有效地对大气气溶胶层、云层的物理性质进行探测，有助于研究气溶胶、云对气候变化和对天气演变的影响。

1 多波长拉曼偏振大气探测激光雷达系统结构

多波长拉曼偏振大气探测激光雷达AMPLE（Atmosphere Multiwave raman Polarization Lidar Equipment）结构示意图如图1所示。它主要由激光发射子系统、激光器电源及控制子系统、望远镜接收子系统、光学处理子系统、系统控制及信号处理子系统五部分组成。其中，激光发射子系统输出355nm、532nm和1064nm三波长激光；光学处理子系统对望远镜接收的光信号进行光处理并转化为电信号；系统控制及信号处理子系统完成后续处理。

图1 多波长拉曼偏振大气探测激光雷达系统组成Fig.1 Schematic diagram of AMPLE

北京遥测技术研究所自行研制的多波长拉曼偏振大气探测激光雷达实物照片如图2所示。其主要技术参数见表1。

图2 多波长拉曼偏振大气探测激光雷达实物照片Fig.2 AMPLE manufactured by Beijing Research Institute of Telemetry

表1 多波长拉曼偏振大气探测激光雷达的技术指标Table1 Specifications of AMPLE

2 多波长拉曼偏振大气探测激光雷达数据反演方法

多波长拉曼偏振大气探测激光雷达接收通道中心波长分别为532nmP、532nmS、355nmP、355nmS、386nm、407nm、607nm和1064nm，其中532nmP、532nmS、355nmP、355nmS分别为 532nm和 355nm偏振探测通道（P代表平行偏振，S代表垂直偏振），386nm、407nm分别对应发射波长355nm信号的氮气分子和水汽分子拉曼散射回波波段，607nm对应发射波长532nm信号的氮气分子拉曼散射回波波段。激光发射子系统发射的激光脉冲受到大气中的分子、气溶胶粒子、云雾、水汽分子的弹性散射、拉曼散射等作用；望远镜接收到这些后向散射回波信号后，分光系统对其进行处理，并使用光电倍增管将光信号转换为电信号，再用光子计数采集板卡记录下不同接收通道的回波光子数。

平行偏振通道和垂直偏振通道的弹性散射激光雷达方程［3］可表示为

拉曼散射的激光雷达方程可表示为

其中，P‖（z）、P⊥（z）和PR（z）分别为平行偏振通道、垂直偏振通道和拉曼通道的回波功率；C‖、C⊥和CR分别为平行偏振通道、垂直偏振通道和拉曼通道的激光雷达系统常数；分别为气溶胶和分子的平行后向散射系数；分别为气溶胶和分子的垂直后向散射系数；βR（λ0，z）为氮气分子的拉曼后向散射系数；α（z）为大气分子和大气气溶胶等总的消光系数；λ0、λR分别为激光发射波长和拉曼散射波长；z为探测距离。

2.1 消光系数

多波长拉曼偏振大气探测激光雷达可接收氮气的拉曼后向散射回波信号，由式（3）可得气溶胶对激光发射波长λ0的消光系数［4］

式中，NR（z）为氮气分子粒子数浓度，可由标准大气模型或者探空仪得到；αmol（λ0，z）、αmol（λR，z）分别是大气分子对激光发射波长λ0、氮气产生拉曼散射后的波长λR的消光系数，可由瑞利散射模型得到；k为大气浑浊度系数，是波长1μm处大气气溶胶光学厚度，其取值由气溶胶粒子的类型决定，对于直径与波长可比拟的气溶胶和水滴粒子，通常取k=1，对于直径大于激光波长的冰粒子，通常取k=0。

2.2 后向散射系数

多波长拉曼偏振大气探测激光雷达结合平行通道和垂直通道的米散射回波信号，利用Fernald/Klett方法得到气溶胶的后向散射系数［5］

式中，P（z）为激光雷达接收的回波功率；βm（z）为大气分子的后向散射系数；z0为参考点，z0选择在气溶胶含量很低，基本上只有大气分子的高度处，β（z0）为参考点处大气分子和大气气溶胶总的后向散射系数；Sa、Sm分别为气溶胶和分子的消光后向散射比，分子的消光后向散射比Sm通常为8π/3Sr，气溶胶的消光后向散射比Sa依赖于入射光波长、气溶胶尺度谱分布和折射性质，其取值范围一般在15Sr到100Sr之间变化。

联立弹性散射和拉曼散射激光雷达方程（Raman方法），也可得到气溶胶对激光发射波长λ0的后向散射系数［6］

式（6）中，Pλ0（z）为米后向散射回波信号，PλR（z）为拉曼后向散射回波信号，βmol（λ0，z）为波长为λ0时大气分子的后向散射系数。

2.3 激光雷达比

由2.1节和2.2节可知，利用假设的激光雷达比，由Fernald/Klett方法可获得气溶胶的后向散射系数，而由Raman方法获得气溶胶的消光系数和后向散射系数，无需激光雷达比信息。于是，由Raman方法可进一步获得激光雷达比

式（7）中，Sa（λ0，z）为气溶胶的激光雷达比。

2.4 退偏比

多波长拉曼偏振大气探测激光雷达具备355nm和532nm的偏振通道，通过测量得到的偏振信号可直接求取退偏比δ。

3 河北望都气溶胶观测

2014年6月到7月笔者在河北省望都县开展了多波长拉曼偏振大气探测激光雷达观测试验。图3（a）～（e）给出了7月5日晚上20时到22时多波长拉曼偏振大气探测激光雷达5个弹性散射接收通道的距离修正回波信号时空演化图。从图3可以看出，观测时间段内大气边界层内的气溶胶状态比较稳定，观测地点9km～11km的高空在21点之后出现了一层云层。

图3 2014年7月5日20时到22时距离修正信号时空演化图Fig.3 Range corrected signal evolution figure from 20:00 to 22:00 on July 5，2014

图4给出了图3时间段内的355nm退偏比和532nm退偏比时空演化图。从图4可以看出，观测时间段内大气边界层内的气溶胶退偏比小于0.1。退偏比反映了气溶胶粒子的形状，退偏比越小说明粒子形状越规则。

图4 2014年7月5日20时到22时355nm、532nm退偏比时空演化图Fig.4 355nm and 532nm depolarization ratio evolution figure from 20:00 to 22:00 on July 5，2014

多波长拉曼偏振大气探测激光雷达为双轴激光雷达系统，激光束的发射视场与接收视场之间由完全分离逐渐过渡到完全重合。这样的光学系统结构决定了在一定范围内的回波信号只能部分地被望远镜所接收，甚至有些区域的回波信号无法接收。因此在对接收信号进行处理时，必须对激光雷达方程进行修正，即引入系统几何重叠因子Y（r）（即overlap），且满足0≤Y（r）≤1。由2.2节可知，仅由弹性散射回波信号利用Fernald/Klett方法反演的后向散射系数会受到系统overlap的影响，而联立弹性散射和拉曼散射激光雷达方程反演的后向散射系数不受系统overlap的影响，因此由上述两种方法反演的后向散射系数可计算出系统的overlap。多波长拉曼偏振大气探测激光雷达355nm波段和532nm波段具备拉曼散射回波通道，图5（a）和图5（b）分别给出了355nm和532nm通道的系统overlap。

图5 355nm通道与532nm通道系统重叠因子Fig.5 355nm and 532nm channels overlap

参考文献［7］中的计算方法得到7月5日21时到21时59分累积1小时的355nm和532nm后向散射系数、消光系数及激光雷达比垂直分布廓线，分别示于图6和图7。其中后向散射系数给出了2.2节中两种方法计算的结果，Fernald/Klett方法反演的后向散射系数是利用图5给出的系统overlap校正后计算得出的，且Fernald/Klett方法反演后向散射系数需假设激光雷达比值，其激光雷达比由Raman方法计算得到。从图6和图7可以看出，近地面气溶胶层集中在3km以下。图6中Raman方法计算的355nm激光雷达比基本在50Sr左右，图6中两种方法计算的355nm后向散射系数一致性很好。图7中Raman方法计算的532nm激光雷达比在1km～1.5km处在40Sr到60Sr之间变化，所以图7中两种方法计算的后向散射系数一致性在1km～1.5km处不及图6。因此通过Raman方法定量探测反演激光雷达比是非常重要的。

图6 2014年7月5日21时到21时59分355nm后向散射系数、消光系数和激光雷达比廓线图Fig.6 355nm backscatter coefficient，extinction coefficient and lidar ratio profile figures from 21:00 to 21:59 on July 5，2014

图7 2014年7月5日21时到21时59分532nm后向散射系数、消光系数和激光雷达比廓线图Fig.7 532nm backscatter coefficient，extinction coefficient and lidar ratio profile figures from 21:00 to 21:59 on July 5，2014

根据后向散射系数和消光系数，利用米散射的数学物理模型，可科学推演得到大气颗粒物微物理特性［8］，图8给出了2014年7月5日20时到22时10分钟分辨率的PM2.5质量浓度时空变化情况。

4 结束语

激光雷达在探测大气颗粒物方面具有很高的时间和空间分辨率，是其他传统探测手段无法比拟的。本文利用北京遥测技术研究所自主研制的多波长拉曼偏振大气探测激光雷达探测反演了河北望都的气溶胶光学特性和微物理特性的垂直分布，设备性能稳定，结果优异。该激光雷达可同时实现355nm、532nm的偏振探测，355nm的N2和H2O的定量探测，532nm的N2探测，以及1064nm的探测，定量获得气溶胶的消光系数、后向散射系数和激光雷达比，实现对大气气溶胶颗粒物空间分布及沉降时空演变的实时监测，获取大气气溶胶颗粒物的模态、粒谱特征等重要参数，支持气溶胶、云对气候变化和对天气演变影响的研究，并可与其他观测仪器的数据融合应用，提供更加丰富、更为准确的气候、气象、环境等综合探测信息。

图8 2014年7月5日20时到22时PM2.5质量浓度时空变化Fig.8 PM2.5 mass concentration evolution figure from 20:00 to 22:00 on July 5，2014

笔者于2014年9月发表在《遥测遥控》第35卷第5期的文章《激光雷达的应用及发展趋势》中，第2.3节军事应用中引用了计春明在《舰船光学》中发表的《国外激光雷达发展动向与分析》中的有关内容；第3节激光雷达的发展趋势中部分引用了王建宇与洪光烈在《激光与红外》中发表的《激光主动遥感技术与应用》（第742～748页）中的有关内容；第4节启示与建议中部分引用了王海霞、杨帆与韩淋发表的《激光雷达技术研究与应用国际发展态势分析》中的有关内容。由于笔者的疏忽，在原文的参考文献中未进行相应标注。深表歉意!

［1］阎吉祥，龚顺生，刘智深.环境监测激光雷达［M］.北京:科学出版社，2001:135～140.Yan Jixiang，Gong Shunsheng，Liu Zhishen.Environment Monitoring Lidar［M］.Beijing:Science Press，2001:135 ～140.

［2］孙景群.激光大气探测［M］.北京:科学出版社，1986:1～2.Sun Jingqun.Laser Atmospheric Detection［M］.Beijing:Science Press，1986:1 ～2.

［3］Uchino O，Tabata I，Kai K，et al.Polarization Properties of Middle and High Level Clouds Observed by Lidar［J］.J Meteor Soc Japan，1988，66:607 ～616.

［4］Russo F，Whiteman D N，Demoz B，et al.Validation of the Raman Lidar Algorithm for Quantifying Aerosol Extinction［J］.Appl.Opt.，2006，45（27）:7073 ～7075.

［5］Fernald FC.Analysis of Atmospheric Lidar Observations:Some Comments［J］.Appl.Opt.，1984，23（5）:652 ～653.

［6］张金业，龚 威，黄楚云.Raman激光雷达探测气溶胶光学特性［J］.光子学报，2010，39（7）:1340～1344.Zhang Jinye，GongWei，Huang Chuyun.Measurements of Aerosol Optical Properties by Raman Lidar［J］.Acta Photonica Sinica，2010，39（7）:1340～1344.

［7］Detlef Muller，Ulla Wandinger，Dietrich Althausen，et al.Retrieval of Physical Particle Properties from Lidar Observations of Extinction and Backscatter at Multiple Wavelengths［J］.Appl.Opt.，1998，37（12）:2260 ～2263.

［8］Christine Bockmann，Irina Mironova，Detlef Muller，et al.Microphysical Aerosol Parameters from Multiwavelength Lidar［J］.Optical Society of America，2005，22（3）:518 ～528.