激光雷达在大气环境监测中的应用.doc

激光雷达在大气环境监测中的应用
鲁岸立 sc12002044

摘要：本文介绍了RAMAN激光雷达、多普勒激光雷达、MIE激光雷达的工作原理。并讨论了它们在气象和环境监测中的应用。
1.RAMAN激光雷达
RAMAN散射是激光与大气中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，散射光的波长和入射光不同，产生了向长波或短波方向的移动。散射光频率的改变因入射光和受作用的分子不同而异。分析该散射光的频率和强度的光谱图可以得到大气分子的相关信息,所以Raman 散射激光雷达可以用来测量环境中某种污染气体的浓度分布,接收系统用的是光谱分析仪,以便接收污染分子散射的不同Raman 散射波长的回波信号。

图1 RAMAN激光雷达结构原理图

图2 典型的污染物分子相对于激光频率的振动-转动拉曼散射频率变化
在实验中用RAMAN激光雷达测量了羽油烟和机动车尾气的组成成分。RAMAN激光雷达使用的是波长337.1nm的激光作为探测光。首先给出正常大气气体的拉曼后向散射及频率不变成分包括瑞利及米散射成分的光谱图。

图3 正常大气气体的拉曼后向散射及频率不变成分包括瑞利及米散射成分的光谱图
图3中每个箭头对应一特定分子的拉曼散射线的中心波长。正常大气中的主要成分包括N2,O2,水汽分子，CO2在光谱图中可以方便的检测出来。
在得到正常大气气体的光谱图之后，用激光雷达337.1nm波长激光分析羽油烟气体和机动车尾气中各种成分的拉曼频移，从而得出羽油烟气体具体组成。

图4 羽油烟气体中各组分分子的拉曼光谱图

图5 机动车尾气中各组分分子的拉曼光谱图
由探测结果可以看出，羽油烟气体和机动车尾气中除了包括N2,O2,水汽分子，CO2
还探测到了SO2,CO,H2S等有害气体。
RAMAN激光雷达不仅可以检测分析污染气体成分，还可以进行气溶胶探测。
中科院安徽光机所在原有的一台Mie散射激光雷达的基础上，增加了一个Raman通道，从而可以接受空气分子（如N2分子）的RAMAN散射回波信号。
Raman激光雷达方程
（1）
其中，是激光雷达接收的Raman散射回波信号，是分子的Raman散射波长（在该雷达系统中=607nm）；K是激光雷达常数；是607nm通道的几何因子；
是距离激光雷达z处的分子数密度；为分子的后向微分Raman散射截面，可以认为是一个与高度Z无关的量；和分别为高度z处的大气气溶胶和空气分子在波长上的消光系数。和分别为高度Z处的大气气溶胶和空气分子在波长上的消光系数。空气分子的消光系数可以利用瑞利散射理论
从探空数据和标准大气模式中计算得到。
由于该激光雷达只用来测量=1范围内的大气气溶胶的消光系数，因此忽略（1）式中的几何因子项，求解得到大气气溶胶消光系数

（2）
其中，K是大气气溶胶的Angstrom指数，对于对流层大气气溶胶，一般假设为1。从（2）式中可以看出，分子数密度随高度的变换率对反演的大气气溶胶消光系数有直接的影响，分子数密度可以从探空资料中获得。这种从Raman回波信号中反演大气气溶胶消光系数的方法被称为Raman方法。
随着激光雷达技术和拉曼光谱技术的发展，RAMAN激光雷达的应用将越来越广泛。最近有学者用RAMAN激光雷达测得了卷云中的冰水含量。
2. 多普勒激光雷达
多普勒激光雷达利用激光多普勒效应,通过测量散射频率相对于发射激光频率的多普勒频移量测量大气风速按照探测方式获得风场的时空变化.设目标相对于系统运动的径向速度为v , 当受到波长为的激光照射时, 由于其运动而引起的回波光信号多普勒频移为.式中的正负号与目标相对于系统的运动方向有关,当目标与系统相向运动时, 取正, 反之取负。显然,目标的多普勒频移量与2 个因素有关: 一是目标运动速度; 二是激光雷达的工作波长。波长选定后, 多普勒频移量就只与目标的运动速度有关。
多普勒测风激光雷达可分为相干探测和直接探测2种体制。相干探测测量的是回波信号和发射的激光信号之间的差频信号, 而直接探测测量的是接收信号和发射的激光能量信号的相对能量变化。与直接探测相比, 相干探测不仅可实现更高的探测灵敏度和测量精度, 而且还可实现某些直接探测技术所不能实现的功能.
香港天文台于2002年将一台红外相干多普勒激光雷达介绍给香港国际机场用于风数切变预警。

图6 香港国际机场的地理环境及红外相干多普勒激光雷达部署位置

图7 香港国际机场红外相干多普勒激光雷达测得的风切变流场

图6中(a):相干多普勒激光雷达在PPI测得的高山气流尾波
(b):相干多普勒激光雷达在PPI测得的加速间隙流，标记为J
(c):相干多普勒激光雷达在PPI测得的高山气流尾波
（d):相干多普勒激光雷达测得在PPI西海风与陆地东风交汇波谱
（e):相干多普勒激光雷达在azimath测得的跨山气流
（f）：相干多普勒激光雷达在PPI测得的水压跳变下的反涡旋再流通气流

3. MIE激光雷达
偏振米散射激光雷达是一个用激光作为发射器的遥感探测系统。它发射的光脉冲进入大气并在大气中传播时, 其射线遇到大气中的粒子和分子后会向四面八方折射和反射,也就是发生散射现象。不同高度不同粒子的散射光波长不同, 所以利用光电接收器接收激光遇到粒子后形成的后向散射光, 再对接收信号进行光谱分析就可以获得大气中不同高度上的不同微粒的分布特征, 进而实现大气污染物的跟踪监测.
在广东环境保护Bureau楼顶层部署了一台双波长MIE激光雷达。利用它测出当地7月20、21、22、23三天内大气C元素相对变化和相对湿度的变化。

图8

小结：随着激光雷达相关科学的发展和科技的进步,激光雷达在探测的空间范围、物质种类、时间持续等方面将有巨大的发展潜力,激光雷达将朝着更加精细化和定量化的方向发展。这一技术在不久的将来会得到更加广泛的应用,它在环境监测方面将会扮演不可替代的重要角色。同时,利用各国激光雷达网得到的系统的、长期和稳定的各种监测资料,可以直接进行气候变化的研究,特别是近年星载激光雷达和星载雷达首次获取的气溶胶和云的垂直分布廓线,可以在一定程度上提高气象和气候模式的模拟水平。随着世界上不同地区激光雷达资料的长期和系统的积累,它们必将在气候模式与天气预报模式的资料同化系统中发挥越来越重要的作用,从而为气候和气候变化的研究做出贡献。
参考文献：
[1] GUO Jinjia*, SUN Zhaobin, LIU Zhishen.Comparison of Visibility Measurements over Horizontal Path by Micro-pulsed Lidar and Visibility Meter.Journal of Ocean University of China
[2] J. Werner, K. W. Rothe, and H. Walther*.Monitoring of the Stratospheric Ozone Layer by Laser Radar.Appl. Phys. B
[3] H. INABA, T. KOBAYASI.Laser-Raman Radar--Laser-Raman scattering methods for remote detection and analysis of atmospheric pollution.Opto-electronics
[4] 吴德成.刘博.Raman-Mie激光雷达测量对流层大气气溶胶光学特性.大气与环境光学学报
[5] Zhien Wang.A new way to measure cirrus cloud ice water content by using ice Raman scatter with Raman lidar.GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS
[6] C. M. SHUN AND P. W. CHAN.Applications of an Infrared Doppler Lidar in Detection of Wind Shear.JOURNAL OF ATMOSPHERIC AND OCEANIC TECHNOLOGY
[7] z.s. liu
b.y. Liu z.g. Li z.a. Yan s.h.wu z.b. sun.Wind measurements with incoherent Doppler lidar based on iodine filters at night and day .Applied Physics

[8] 张芳沛, 薛海中, 胡永钊, 沈　严, 邢宇华,李冬梅, 张文平, 韩文杰, 窦飞飞.相干多普勒测风激光雷达.应用光学
[9] 翟崇治, 周 乾 , 余家燕, 李 礼.偏振米散射激光雷达在大气监测中的应用.LASER JOURNAL
[10] NOBUO SUGIMOTO,* TOMOAKI NISHIZAWA.Continuous Observations of Aerosol Profiles with a Two-Wavelength Mie-Scattering Lidar in Guangzhou in PRD2006.JOURNAL OF APPLIED METEOROLOGY AND CLIMATOLOGY