CN105988124A - 基于吸收消光比标定廓线的气溶胶污染物分布探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于吸收消光比标定廓线的气溶胶污染物分布探测方法。利用光热干涉法获得待测气溶胶对应波长的吸收系数，给出气溶胶样品的波长指数，利用宽带腔增强法获得待测气溶胶相应波长的消光系数，并由气溶胶样品的吸收系数和消光系数获得相应波长的单次散射反照率，利用米散射激光雷达获得采样点上方气溶胶的消光系数廓线。通过波长指数和单次散射反照率确定采样点的气溶胶成分和源头，按照恒定的吸收消光比由消光系数廓线标定出采样点上方的气溶胶污染垂直分布。

Description

基于吸收消光比标定廓线的气溶胶污染物分布探测方法

技术领域

本发明涉及一种三种光学测量技术联用获得大气气溶胶污染物垂直分布的方法，具体公开一种采用光热干涉法、宽带腔增强法和米散射激光雷达三种测量方法实现气溶胶不同参数测量并通过对这些测量参数的解析实现气溶胶污染物分布实时探测的方法。

背景技术

大气气溶胶是指悬浮在大气中的直径在0.001～100μm的液体或固体微粒，主要分布在对流层底部数公里范围内，其浓度通常随垂直高度的增加呈指数下降趋势。大气气溶胶的分布、物理化学性质(包括粒子尺度、谱分布、化学成分等)等都具有极大的时间和空间变化率。气溶胶除了对环境质量、人体健康和气象条件等带来影响外，还能对云的寿命、水循环过程和全球的辐射平衡产生作用。以散射辐射为主的硫酸盐和硝酸盐气溶胶从某种程度上抵消了温室气体如二氧化碳等引起的全球变暖过程，生物质燃烧产生的气溶胶则因含有吸收性较强的黑炭(BC)和有机碳(OC)等物质吸收太阳光加热大气而起到相反的作用。总之，气溶胶源头多样性和混合状态复杂性等均对其光学特性的研究带来巨大困难。

随着我国工业化和城市化进程的加快，人为气溶胶污染物的排放量增加，导致近年来我国大范围雾霾天气频发，给日常生产和生活带来严重影响，故气溶胶污染的形成机制和预报研究受到越来越高的重视。

目前，对气溶胶污染过程中的理化性质、浓度分布、光学属性、大气边界层结构、区域扩散传输以及气候效应等多重影响方面的研究均已展开,并涉及到气溶胶污染实测、遥感反演及数值模拟等多种分析手段的应用，为气溶胶污染的掌握和治理提供了必要的依据。但是，到目前为止，尚未出现直接给出气溶胶污染物源头和垂直分布实时测量方法的报道。气溶胶的光学参数包括气溶胶的波长指数b以及气溶胶单次散射反照率，对气溶胶成分的判定具有重要的指导意义。

所述的光热干涉法的基本原理是：当激励激光束射向气溶胶粒子时，粒子将吸收光波能量并迅速升温，当其达到热平衡后会通过热传导加热周围空气，从而导致气溶胶颗粒周围空气的折射率变化，通过干涉方法测量气溶胶粒子周围空气的折射率改变量确定气溶胶吸收系数，其系统原理图如图2所示，可以利用波长为λ₁、λ₂双波长激励激光分别测量相同气溶胶在该波长下的吸收系数β_abs(λ₁)、β_abs(λ₂)，进而计算出该气溶胶的波长指数b，根据波长指数b可以确定气溶胶的成分，具体计算过程如下：

$b=-\frac{ln\left({\mathrm{\β}}_{abs}\right({\mathrm{\λ}}_1)/{\mathrm{\β}}_{abs}({\mathrm{\λ}}_2\left)\right)}{ln({\mathrm{\λ}}_1/{\mathrm{\λ}}_2)}$

宽带腔增强法是一种高灵敏度的光学测量方法，它利用由高反射率镜片而组成的光学谐振腔来增加吸收光程，实现在很短的吸收池长上实现数公里甚至更长的有效吸收光程，为气溶胶消光的测量提供了具有更高灵敏度的探测方式，其系统工作原理图如图4所示，其工作原理描述为一束光强I_in的光入射到谐振腔内，在谐振腔内来回反射多次，当腔内无吸收介质时透过腔的光强为

$I_{empty}=I_{in}\frac{1-R}{1+R}$

当腔内有吸收介质时透过腔的光强为

$I_{sample}=I_{in}\frac{{(1-R)}^2\exp (-ad)}{1-R^2\exp (-2ad)}$

其中，R为谐振腔腔镜反射率，d为腔内吸收介质气溶胶所填充的长度，a气溶胶对激光的吸收系数。则通过宽带腔增强法气通过探测透过腔的时间积分光强，获得溶胶的消光系数：

${\mathrm{\β}}_{ext}=\frac{1}{d}(\frac{I_{empty}}{I_{sample}}-1)(1-R)$

米散射激光雷达是最早用于大气探测的激光雷达，主要是利用大气气溶胶的后向米散射回波信号探测其消光系数的分布，因其较高的时空分辨率和大的测量范围等而成为一种非常重要的主动遥感工具，其系统图如图5所示。

单次散射反照率是表征气溶胶光学特性的重要参数，定义为散射系数和消光系数的比值：

$\mathrm{\ω}=\frac{{\mathrm{\β}}_{sca}}{{\mathrm{\β}}_{ext}}=\frac{{\mathrm{\β}}_{ext}-{\mathrm{\β}}_{abs}}{{\mathrm{\β}}_{ext}}$

米散射激光雷达能够获得测量地点气溶胶消光系数的垂直分布廓线，同一地点上方的气溶胶类型通常是相同的，因此吸收消光比为定值。利用光热干涉法获得两个波长下的气溶胶吸收系数，并进一步计算得到波长指数。利用宽带腔增强法获得相应波长下的消光系数，通过消光系数和吸收系数计算出待测气溶胶的单次散射反照率，利用波长指数和单次散射反照率确定待测气溶胶的成分，从而锁定气溶胶的污染源。利用恒定的吸收消光比，通过米散射激光雷达所测消光系数的垂直分布推算出气溶胶污染物的垂直分布情况。上述方法联用所掌握的测量区域气溶胶污染物的源头信息及其时空分布，能够为环境治理部门制定合理的整改措施提供可靠的数据支撑，具有重要的社会价值。

发明内容

本发明的目的是针对气溶胶污染物在不同波长下的光学特性，提供一种按照波长指数和单次散射反照率确定气溶胶成分，由消光系数廓线标定气溶胶垂直分布的方法，该方法能够快速确定气溶胶污染物的源头，并实时显示气溶胶污染状况，为环境治理提供依据。

本发明采用的技术方案是：

基于吸收消光比标定廓线的气溶胶污染物分布探测方法，其特征在于：采用双波长光热干涉法和双波长宽带腔增强法分别测量地面测量点气溶胶的吸收系数、消光系数，进一步解析获得地面测量点气溶胶的波长指数、单次散射反照率，实现地面测量点气溶胶污染物的成分确定；确定地面测量点气溶胶在双波长下的吸收消光比，采用双波长米散射激光雷达法获得地面测量点至激光雷达有效测量范围内的气溶胶消光系数廓线，基于地面测量点气溶胶的吸收消光比，以气溶胶消光系数廓线为模式，标定出测量地点地面至激光雷达有效测量范围的气溶胶吸收系数廓线，实现测量地点地面至激光雷达有效测量范围的气溶胶污染物垂直分布的实时获取。

所述的基于吸收消光比标定廓线的气溶胶污染物分布探测方法，其特征在于：所述的双波长光热干涉法、双波长宽带腔增强法、双波长米散射激光雷达法采用的双波长激光波长相同，所述的双波长激光波长分别为近红外和近紫外波长各一个，两波长频率差别为较大频率的1/10。

所述的基于吸收消光比标定廓线的气溶胶污染物分布探测方法，其特征在于：所述气溶胶的波长指数由短波和长波的吸收系数比值决定，形成一组数值，气溶胶的单次散射反照率由每个波长的散射系数和消光系数决定，形成两组数值，利用一组波长指数和一组单次散射反照率分别作为纵横坐标能够锁定气溶胶成分，两组单次散射反照率形成相互验证。

所述的基于吸收消光比标定廓线的气溶胶污染物分布探测方法，其特征在于：所述的光热干涉法和宽带腔增强法法采样系统串联使用，所测量样品为同一气溶胶样品，测量期间米散射激光雷达系统距离前两者尽量近，以最大限度减小样品差异的影响。

本发明的理论依据是：

大气气溶胶粒子的光吸收特性通常只在一个波长下测量，其他波段的吸收通过假定的幂率关系式外推得到：

β_abs＝aλ^-b

上式中a与波长无关，b为气溶胶吸收的波长指数。黑炭气溶胶对可见光辐射的吸收通常和波长是负关系，波长指数为1。b值大于1时，说明气溶胶在短波的吸收强，拥有较强的波长依赖性。例如煤和褐煤的阴燃所形成的气溶胶粒子b值可以高达3，有机碳气溶胶在600nm以下同样呈现出随波长减小而增强的吸收性。

米散射激光雷达能够实时测量采样地点气溶胶消光系数的垂直分布廓线，而同一地点的气溶胶类型是相同的，即吸收消光比为定值。通过气溶胶光学特性的波长指数和单次散射反照率确定待测气溶胶的成分，从而确定气溶胶的污染源，通过消光系数的垂直分布获得气溶胶污染物的垂直分布情况。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种按照波长指数和单次散射反照率确定气溶胶成分，并实时监测气溶胶污染物垂直分布的方法，该方法在判断气溶胶污染物源头的基础上，动态显示气溶胶污染的发展趋势，能够为环境治理提供依据，具体体现在：

1)通过双波长的光热干涉法和宽带腔增强法实现了波长指数和单次散射反照率的同步测量，利用其光学特性锁定气溶胶的成分和源头；

2)动态显示气溶胶污染物的垂直分布状况及随时间的演变过程，为环境治理和治理效果提供数据参考。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为光热干涉法系统原理图；

其中1、纤中的相位载波激光；2、光隔离器；3、光环形器；4、光纤准直器端面；5、掠射式激励激光；6、镀增反膜反射镜；7、载波激光经反射镜的反射光；8、反射光7经准直器端面的透射光；9、载波激光经准直器端面的反射光；10、透射光8和反射光9的干涉光；

图3为本发明光热干涉法双波长激光的光纤耦合方式示意图；

图4为宽带腔增强法的系统原理图；

图5为米散射激光雷达系统图。

具体实施方式

如图1所示，基于吸收消光比标定廓线的气溶胶污染物分布探测方法，其特征在于：采用双波长光热干涉法和双波长宽带腔增强法分别测量地面测量点气溶胶的吸收系数、散射系数，进一步解析吸收地面测量点气溶胶的吸收系数、散射系数获得地面测量点气溶胶的光学参数，实现地面测量点气溶胶成分确定，进一步确定地面测量点气溶胶的吸收消光比；采用双波长米散射激光雷达法获得地面测量点至激光雷达有效测量范围内的气溶胶消光系数廓线，基于地面测量点气溶胶的吸收消光比，以此气溶胶消光系数廓线为模式，标定出测量地点地面至激光雷达有效测量范围的气溶胶吸收系数廓线，实现测量地点地面至垂直激光雷达有效测量范围的气溶胶污染物垂直分布的实时测量。

所述的基于吸收消光比标定廓线的气溶胶污染物分布探测方法，其特征在于：所述的双波长光热干涉法、双波长宽带腔增强法、双波长米散射激光雷达法采用的双波长激光波长相同，所述的双波长激光波长分别为近红外和近紫外波长各一个，两波长频率差别为较大频率的1/10。

所述的基于吸收消光比标定廓线的气溶胶污染物分布探测方法，其特征在于：所述气溶胶的波长指数由短波和长波的吸收系数比值决定，形成一组数值，气溶胶的单次散射反照率由每个波长的散射系数和消光系数决定，形成两组数值，利用一组波长指数和一组单次散射反照率分别作为纵横坐标能够锁定气溶胶成分，两组单次散射反照率形成相互验证。

所述的基于吸收消光比标定廓线的气溶胶污染物分布探测方法，其特征在于：所述的光热干涉法和宽带腔增强法法采样系统串联使用，所测量样品为同一气溶胶样品，测量期间米散射激光雷达系统距离前两者尽量近，以最大限度减小样品差异的影响。

本发明在现场测量时按照如下流程进行：

1)由于能源结构的原因，我国气溶胶污染物的吸收性较强，包括多种人为气溶胶成分。在进行文献调研和实地考察的基础上，以我国内陆地区的工业分布、交通运输、农业生产等为基本出发点，确定尽可能多的气溶胶成分及源头，并进行相应的样品采集或配制；

2)利用光热干涉法和宽带腔增强法完成试验室内仿真环境下气溶胶样品波长指数和单次散射反照率的测量，并组建相应的光学特性数据库，为实际测量中的气溶胶成分和源头确定提供参照；

3)为光热干涉法、宽带腔增强法和米散射激光雷达选择代表性的测量点，建设实验方舱，以具备防风沙、防雨、防暴晒能力。光热干涉法、宽带腔增强法通过方舱壁的抽气管道抽取外界气溶胶样品，米散射激光雷达的探测激光通过预留的窗口垂直向上射出；

4)光热干涉法、宽带腔增强法和米散射激光雷达均为近紫外和近红外双波长探测光，通过校正使三者的探测光在同一时刻处于同样波长；

5)开启光热干涉装置和宽带腔增强装置的采样系统，利用纯净空气冲刷两者的样品测量腔，进行本底信号的测量，本底信号以平均值最小且相对稳定为宜；

6)待测气溶胶样品通过采样系统进入光热干涉装置和宽带腔增强装置的样品测量腔，待信号相对稳定后，测量其不同探测波长对应气溶胶样品的吸收系数和消光系数；

7)计算相应的波长指数和单次散射反照率，并利用气溶胶光学特性数据库分析待测气溶胶样品的成分，根据成分确定其源头；

利用米散射激光雷达获得测量点的垂直消光系数廓线，根据光热干涉装置和宽带腔增强装置所得的吸收消光比，标定出该测量点的吸收系数垂直廓线，根据廓线分析气溶胶污染物的垂直分布情况。

Claims (4)

1.基于吸收消光比标定廓线的气溶胶污染物分布探测方法，其特征在于：采用双波长光热干涉法和双波长宽带腔增强法分别测量地面测量点气溶胶的吸收系数、消光系数，进一步解析获得地面测量点气溶胶的波长指数、单次散射反照率，实现地面测量点气溶胶污染物的成分确定；确定地面测量点气溶胶在双波长下的吸收消光比，采用双波长米散射激光雷达法获得地面测量点至激光雷达有效测量范围内的气溶胶消光系数廓线，基于地面测量点气溶胶的吸收消光比，以气溶胶消光系数廓线为模式，标定出测量地点地面至激光雷达有效测量范围的气溶胶吸收系数廓线，实现测量地点地面至激光雷达有效测量范围的气溶胶污染物垂直分布的实时获取。

2.根据权利要求1所述的基于吸收消光比标定廓线的气溶胶污染物分布探测方法，其特征在于：所述的双波长光热干涉法、双波长宽带腔增强法、双波长米散射激光雷达法采用的双波长激光波长相同，所述的双波长激光波长分别为近红外和近紫外波长各一个，两波长频率差别为较大频率的1/10。

3.根据权利要求1所述的所述的基于吸收消光比标定廓线的气溶胶污染物分布探测方法，其特征在于：所述气溶胶的波长指数由短波和长波的吸收系数比值决定，形成一组数值，气溶胶的单次散射反照率由每个波长的散射系数和消光系数决定，形成两组数值，利用一组波长指数和一组单次散射反照率分别作为纵横坐标能够锁定气溶胶成分，两组单次散射反照率形成相互验证。

4.根据权利要求1所述的所述的基于吸收消光比标定廓线的气溶胶污染物分布探测方法，其特征在于：所述的光热干涉法和宽带腔增强法采样的系统串联放置，所测量样品为同一气溶胶样品，测量期间米散射激光雷达系统距离前两者尽量近，保证样品的相同性。