CN106872324A - 一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测装置及探测方法，包括激光器发射多个波段的激光脉冲；经由准直扩束系统、反射镜进入大气中，激光散射回波信号由望远镜接收，经光纤引入分光系统，再由光电探测器进行信号转换；数据采集系统对信号进行数据采集，最后在计算机中进行数据处理，反演气溶胶颗粒物质量浓度。本发明是基于多波段激光雷达遥感探测颗粒物质量浓度分布的新理论和新方法能够实现数公里范围内的颗粒物质量浓度高空间分辨率探测，有效解决当前颗粒物质量浓度空间分布监测技术不成熟的难题，为大气科学研究及空间环境监视、行政决策提供科学依据和方法论。

Description

一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测装置及探测方法

技术领域

本发明属于激光主动遥感探测领域，具体涉及一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测装置，本发明还涉及该气溶胶颗粒物质量浓度的探测方法。

背景技术

掌握大气颗粒物质量浓度水平，系统地监测气溶胶来源和污染物的区域传送、明确排放的定量贡献等亟待解决的关键问题，才能制定合理有效的重点防控措施。当前对大气颗粒物质量浓度的检测主要采用直接测量和间接等效测量方法，包括采样称重法、β射线法、TEOM颗粒物质量监测仪等。这些测量基本都还局限于点测量或者空间网格式分布测量。然而，受气象条件以及其它人为因素的影响，大气颗粒物质量浓度空间分布变化很大，点测量获得的信息不足以反映颗粒物在大气中停留和传输的物理过程。气溶胶探测激光雷达已经实现了数十米至数公里范围的气溶胶消光系数和后向散射系数等光学特性的高时空分辨率探测。然而，在颗粒物质量浓度的探测上，尚未有成熟的激光雷达探测技术与方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测装置，解决当前颗粒物质量浓度空间分布监测技术不成熟的难题。

本发明的另一个目的是提供一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测方法。

本发明所采用的技术方案是，一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测装置，包括激光器发射多个波段的激光脉冲，依次经由准直扩束系统、反射镜进入大气中，产生的激光散射回波信号由望远镜接收，望远镜通过光纤与分光系统连接，分光系统依次连接有光电探测器、数据采集系统和计算机。

本发明所采用的另一个技术方案是，一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测方法，具体包括以下步骤：

步骤1：激光器发射出355nm、532nm和1064nm三个波段的激光脉冲，三个波段的激光脉冲经准直扩束系统准直扩束后，由反射镜反射进入大气中；

步骤2：反射进入大气中的三个波段的激光脉冲与大气中的气溶胶颗粒物发射散射作用，产生的激光散射回波信号由望远镜接收；

步骤3：由望远镜接收的激光散射回波信号经光纤引入分光系统进行分光处理，得到355nm、532nm和1064nm三个波段的后向散射信号，分别由光电探测器进行信号探测和光电转换；

步骤4：经光电转换之后产生的电信号由数据采集系统进行数据采集，采集到的数据送入计算机进行算法处理，得到单次散射的激光雷达功率方程；

步骤5，对步骤4得到的激光雷达功率方程通过反演算法得到气溶胶颗粒物质量浓度。

本发明的特点还在于，

步骤4中单次散射的激光雷达功率方程表述为消光系数σ(z,λ)与后向散射系数β(z,λ)的函数：

式中，P(z,λ)为距离z处的瞬时接收功率，C为激光雷达系统常数，P₀激光发射功率，A望远镜接收面积，Y(z)系统几何重叠因子，σ(z,λ)为气溶胶消光系数，β(z,λ)为气溶胶后向散射系数。

步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1：激光雷达功率方程由Fernald反演算法分别得到355nm、532nm和1064nm三个不同波段的气溶胶颗粒物消光系数：

式中，S₁为大气气溶胶的雷达比，T_m(z)表示z处的大气分子的透射率，E表示激光雷达的发射脉冲能量；

步骤5.2：由多波段激光雷达探测到的气溶胶消光系数和后向散射系数信息，通过粒子谱反演算法，得到气溶胶颗粒物粒子谱的分布特征；

由米散射理论可知，气溶胶颗粒物的消光系数与其数密度有着直接的关系，波长为λ的气溶胶颗粒物光学参数与气溶胶颗粒物粒子谱之间满足第一类Fredholm积分方程：

式中，g表示光学参量，r气溶胶颗粒物粒子半径，m复折射率，λ波长，v(r)球形颗粒物粒子的体积分布函数，Q_β/ext(r,λ,m)是球形颗粒物粒子消光或者后向散射效率；Q_β/ext(r,λ,m)根据米散射理论计算得到，结合气溶胶颗粒物粒子谱n(z,r)得到消光系数σ(z,λ)和后向散射系数β(z,λ)的函数表达式，

式中，Q_λ,ext(r)和Q_λ,β(r)分别为气溶胶颗粒物消光效率和后向散射效率；

粒子体积分布函数v(r)通过加权因子W_j拟合样条曲线的方法得到，

式中，B_j(r)为B样条曲线，ε^math(r)为计算误差，K为样条函数的个数，因此通过加权因子W_j的求解获得气溶胶粒子谱分布；当计算误差ε^math(r)趋于无限小时，得到球形粒子的体积分布，为：

步骤5.3：将气溶胶颗粒物粒子消光效率与气溶胶颗粒物粒子谱分布特征做比值处理，得到气溶胶颗粒物质量消光效率(MEE)；

颗粒物质量消光效率(MEE)表征的是对于任意给定的粒子谱分布和激光波长，单位体积内的消光系数与颗粒物质量浓度的比值，是粒子谱分布特性和消光效率的函数，表达式为

式中，ρ为粒子标准密度；

步骤5.4：通过气溶胶消光系数与质量消光效率相结合获得颗粒物的质量浓度，如下式所示：

式中，σ_a(z,λ)为气溶胶消光系数。

本发明的有益效果是，本发明是基于多波段激光雷达遥感探测颗粒物质量浓度分布的新理论和新方法能够实现数公里范围内的颗粒物质量浓度高空间分辨率探测，有效解决当前颗粒物质量浓度空间分布监测技术不成熟的难题，为大气科学研究及空间环境监视、行政决策提供科学依据和方法论。同时，大范围的颗粒物质量浓度空间分布信息是探讨气溶胶辐射特性、气候效应和污染程度的基础和前提。

本发明方法为一种对颗粒物质量浓度进行探测的新方法，以及提出的一种新的反演方法，与激光雷达结合运用可成为一种对大气中颗粒物质量浓度探测的新设备，定标后可以当仪器使用，不需要辅助设备交叉测量，降低设备使用成本。

附图说明

图1是本发明气溶胶颗粒物质量浓度的探测装置图；

图2为本发明方法中气溶胶颗粒物质量浓度反演算法流程图。

图中，1.激光器，2.准直扩束系统，3.反射镜，4.大气，5.望远镜，6.光纤，7.分光系统，8.光电探测器，9.数据采集系统，10.计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明气溶胶颗粒物质量浓度的探测装置，结构如图1所示，包括激光器1发射多个波段的激光脉冲，依次经由准直扩束系统2、反射镜3进入大气4中，产生的激光散射回波信号由望远镜5接收，望远镜5通过光纤6与分光系统7连接，分光系统7依次连接有光电探测器8、数据采集系统9和计算机10。

利用上述探测装置对气溶胶颗粒物质量浓度探测的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：激光器1发射出355nm、532nm和1064nm三个波段的激光脉冲，三个波段的激光脉冲经准直扩束系统2准直扩束后，由反射镜3反射进入大气4中；

步骤2：反射进入大气中的三个波段的激光脉冲与大气中的气溶胶颗粒物发射散射作用，产生的激光散射回波信号由望远镜5接收；

步骤3：由望远镜5接收的激光散射回波信号经光纤6引入分光系统7进行分光处理，得到355nm、532nm和1064nm三个波段的后向散射信号，分别由光电探测器8进行信号探测和光电转换；

步骤4：经光电转换之后产生的电信号由数据采集系统9进行数据采集，采集到的数据送入计算机10进行算法处理，得到单次散射的激光雷达功率方程；单次散射的激光雷达功率方程表述为消光系数σ(z,λ)与后向散射系数β(z,λ)的函数：

式中，P(z,λ)为距离z处的瞬时接收功率，C为激光雷达系统常数，P₀激光发射功率，A望远镜接收面积，Y(z)系统几何重叠因子；气溶胶消光系数σ(z,λ)与后向散射系数β(z,λ)以及它们之间的关系是描述气溶胶光学特性的主要参数，与激光发射波长、颗粒物大小、形状和折射率相关。

步骤5，对步骤4得到的激光雷达功率方程通过反演算法得到气溶胶颗粒物质量浓度，具体包括以下步骤：

步骤5.1：激光雷达功率方程由Fernald反演算法分别得到355nm、532nm和1064nm三个不同波段的气溶胶颗粒物消光系数：

式中，S₁为大气气溶胶的雷达比，T_m(z)表示z处的大气分子的透射率，E表示激光雷达的发射脉冲能量；

步骤5.2：由多波段激光雷达探测到的气溶胶消光系数和后向散射系数信息，通过粒子谱反演算法，得到气溶胶颗粒物粒子谱的分布特征；

由米散射理论可知，气溶胶颗粒物的消光系数与其数密度有着直接的关系，波长为λ的气溶胶颗粒物光学参数与气溶胶颗粒物粒子谱之间满足第一类Fredholm积分方程：

式中，g表示光学参量，r气溶胶颗粒物粒子半径，m复折射率，λ波长，v(r)球形颗粒物粒子的体积分布函数，Q_β/ext(r,λ,m)是球形颗粒物粒子消光或者后向散射效率；Q_β/ext(r,λ,m)根据米散射理论计算得到，结合气溶胶颗粒物粒子谱n(z,r)得到消光系数σ_λ和后向散射系数β_λ的函数表达式，

式中，Q_λ,ext和Q_λ,β分别为气溶胶颗粒物消光效率和后向散射效率；

粒子体积分布函数v(r)通过加权因子W_j拟合样条曲线的方法得到，

式中，B_j(r)为B样条曲线，ε^math(r)为计算误差，K为样条函数的个数，因此通过加权因子W_j的求解获得气溶胶粒子谱分布；当计算误差ε^math(r)趋于无限小时，得到球形粒子的体积分布，为：

步骤5.3：将气溶胶颗粒物粒子消光效率与气溶胶颗粒物粒子谱分布特征做比值处理，得到气溶胶颗粒物质量消光效率(MEE)；

颗粒物质量消光效率(MEE)表征的是对于任意给定的粒子谱分布和激光波长，单位体积内的消光系数与颗粒物质量浓度的比值，是粒子谱分布特性和消光效率的函数，表达式为

式中，ρ为粒子标准密度；

由上式可知，计算所得的MEE与粒子谱分布情况、负折射率m、激光波长λ以及粒子半径变化范围[r_min，r_max]有关。

步骤5.4：通过气溶胶消光系数与质量消光效率相结合获得颗粒物的质量浓度，如下式所示：

式中，σ_a(z,λ)为气溶胶消光系数。

Claims (4)

1.一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测装置，其特征在于，包括激光器(1)发射多个波段的激光脉冲，依次经由准直扩束系统(2)、反射镜(3)进入大气(4)中，产生的激光散射回波信号由望远镜(5)接收，望远镜(5)通过光纤(6)与分光系统(7)连接，分光系统(7)依次连接有光电探测器(8)、数据采集系统(9)和计算机(10)。

2.一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：激光器(1)发射出355nm、532nm和1064nm三个波段的激光脉冲，三个波段的激光脉冲经准直扩束系统(2)准直扩束后，由反射镜(3)反射进入大气(4)中；

步骤2：反射进入大气中的三个波段的激光脉冲与大气中的气溶胶颗粒物发射散射作用，产生的激光散射回波信号由望远镜(5)接收；

步骤3：由望远镜(5)接收的激光散射回波信号经光纤(6)引入分光系统(7)进行分光处理，得到355nm、532nm和1064nm三个波段的后向散射信号，分别由光电探测器(8)进行信号探测和光电转换；

步骤4：经光电转换之后产生的电信号由数据采集系统(9)进行数据采集，采集到的数据送入计算机(10)进行算法处理，得到单次散射的激光雷达功率方程；

步骤5，对步骤4得到的激光雷达功率方程通过反演算法得到气溶胶颗粒物质量浓度。

3.根据权利要求2所述的气溶胶颗粒物质量浓度的探测方法，其特征在于，步骤4中单次散射的激光雷达功率方程表述为消光系数σ(z,λ)与后向散射系数β(z,λ)的函数：

$P(z,\mathrm{\λ})=C\·P_0\·\frac{A}{z^2}\·Y\left(z\right)\·\mathrm{\β}(z,\mathrm{\λ})\·\exp \[-2{\∫}_0^z\mathrm{\σ}(z_1,\mathrm{\λ}){\mathrm{dz}}_1\]---\left(1\right)$

式中，P(z,λ)为距离z处的瞬时接收功率，C为激光雷达系统常数，P₀激光发射功率，A望远镜接收面积，Y(z)系统几何重叠因子，σ(z,λ)为气溶胶消光系数，β(z,λ)为气溶胶后向散射系数。

4.根据权利要求3所述的气溶胶颗粒物质量浓度的探测方法，其特征在于，步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1：激光雷达功率方程由Fernald反演算法分别得到355nm、532nm和1064nm三个不同波段的气溶胶颗粒物消光系数：

$\mathrm{\σ}(z,\mathrm{\λ})=\frac{\frac{P(z,\mathrm{\λ})z^2{T}_m(z,\mathrm{\λ}){(3S_1/4\mathrm{\π})}^{-2}{S}_1}{CE}}{1-\frac{2S_1}{CE}{\∫}_0^{r}P(z,\mathrm{\λ})z^2{T}_m(z,\mathrm{\λ}){(3S_1/4\mathrm{\π})}^{-2}dr}-S_1{\mathrm{\β}}_m(z,\mathrm{\λ})---\left(2\right)$

式中，S₁为大气气溶胶的雷达比，T_m(z)表示z处的大气分子的透射率，E表示激光雷达的发射脉冲能量；

步骤5.2：由多波段激光雷达探测到的气溶胶消光系数和后向散射系数信息，通过粒子谱反演算法，得到气溶胶颗粒物粒子谱的分布特征；

由米散射理论可知，气溶胶颗粒物的消光系数与其数密度有着直接的关系，波长为λ的气溶胶颗粒物光学参数与气溶胶颗粒物粒子谱之间满足第一类Fredholm积分方程：

$g_p\left(\mathrm{\λ}\right)={\∫}_{r_{\min }}^{r_{\max }}\frac{3}{4r}{Q}_{\mathrm{\β}/ext}(r,\mathrm{\λ},m)v\left(r\right)---\left(3\right)$

式中，g表示光学参量，r气溶胶颗粒物粒子半径，m复折射率，λ波长，v(r)球形颗粒物粒子的体积分布函数，Q_β/ext(r,λ,m)是球形颗粒物粒子消光或者后向散射效率；Q_β/ext(r,λ,m)根据米散射理论计算得到，结合气溶胶颗粒物粒子谱n(z,r)得到消光系数σ_λ和后向散射系数β_λ的函数表达式，

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\λ}}\left(z\right)={\∫}_{r_{\min }}^{r_{\max }}{Q}_{\mathrm{\λ},ext}\left(r\right){\mathrm{\πr}}^{2}n(z,r)dr---\left(4\right)$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{\λ}}\left(z\right)={\∫}_{r_{\min }}^{r_{\max }}{Q}_{\mathrm{\λ},\mathrm{\β}}\left(r\right){\mathrm{\πr}}^{2}n(z,r)dr---\left(5\right)$

式中，Q_λ,ext和Q_λ,β分别为气溶胶颗粒物消光效率和后向散射效率；

粒子体积分布函数v(r)通过加权因子W_j拟合样条曲线的方法得到，

$v\left(r\right)=\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{W}_j{B}_j\left(r\right)+{\mathrm{\ϵ}}^{math}\left(r\right)---\left(6\right)$

式中，B_j(r)为B样条曲线，ε^math(r)为计算误差，K为样条函数的个数，因此通过加权因子W_j的求解获得气溶胶粒子谱分布；当计算误差ε^math(r)趋于无限小时，得到球形粒子的体积分布，为：

$v\left(r\right)=\underset{j=1}{\overset{K}{\Σ}}{W}_j{B}_j\left(r\right)---\left(7\right)$

步骤5.3：将气溶胶颗粒物粒子消光效率与气溶胶颗粒物粒子谱分布特征做比值处理，得到气溶胶颗粒物质量消光效率(MEE)；

颗粒物质量消光效率(MEE)表征的是对于任意给定的粒子谱分布和激光波长，单位体积内的消光系数与颗粒物质量浓度的比值，是粒子谱分布特性和消光效率的函数，表达式为

$MEE=\frac{\mathrm{\π}{\∫}_{r_{\min }}^{r_{\max }}{r}^2{Q}_{ext}(r,\mathrm{\λ},m)n\left(r\right)dr}{\frac{4}{3}\mathrm{\π}\mathrm{\ρ}{\∫}_{r_{\min }}^{r_{\max }}{r}^{3}n\left(r\right)dr}---\left(8\right)$

式中，ρ为粒子标准密度；

步骤5.4：通过气溶胶消光系数与质量消光效率相结合获得颗粒物的质量浓度，如下式所示：

$C\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}_a(z,\mathrm{\λ})}{MEE}g/m^3---\left(9\right);$

式中，σ_a(z,λ)为气溶胶消光系数。