CN110006848A - 一种获取气溶胶消光系数的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种获取气溶胶消光系数的方法和装置，其中的该方法包括：使用激光雷达将激光脉冲发射到大气中，接收并测量得到该激光脉冲被大气散射后的后向散射光的功率；在至少一个预设位置使用大气积分浊度仪测量得到该预设位置处的大气修正参数；根据大气修正参数得到气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式；将后向散射光的功率以及气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式代入激光雷达方程，计算得到预设位置处的气溶胶消光系数。应用本发明可以精确地计算出气溶胶消光系数。
Description
技术领域
本申请涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种获取气溶胶消光系数的方法和装置。
背景技术
随着工业污染的加剧，雾霾天气频繁出现，空气污染已经严重影响到人类身体健康。因此，空气质量的检测变得尤为重要，对空气中得颗粒物进行监测、分析和研究已经成为当前环保工作的重点。
按照空气动力学的直径大小，大气颗粒物可分为：(1)直径小于100微米的总悬浮颗粒物(简称TSP)；(2)直径小于10微米的可吸入颗粒物；(3)直径小于2.5微米的细颗粒物。其中，细颗粒物PM2.5可以长时间悬浮在大气中，其对空气质量和能见度等有重要的影响。
与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5的粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质(如重金属、微生物等)，且在大气中的停留时间长，移动距离远，因此对人体健康和大气环境质量的影响相对更大。
在现有技术中，通常会使用激光雷达对空气中的颗粒物进行检测。当前传统的激光雷达是将激光器产生的激光束发射到大气中，激光在大气中传输时，遇到空气分子、气溶胶等成分便会发生散射、吸收等作用；散射中的小部分能量——后向散射光落入接收望远镜视场被接收。通过对接收的后向散射光的能量数据进行数据解算，即可获得大气特性。
在现有技术中，进行数据解算的方法大致有三种：(1)斜率法；(2)Klett法；(3)Fernald法。但是，现有技术中的这三种方法都有其弊端，例如：
1)斜率法是假定大气为均匀大气作为条件，但实际情况中很难出现这种天气，所以这种方法很难达到很高的精度，且只能在水平方向上解算使用。
2)Klett法只考虑单一成分，也就是只能在气溶胶浓度大的情况下使用，且假定反射和消光系数之间满足β＝B·αk，因此该方法只能在高浓度天气使用，局限性较大。
3)Fernald法假设某一高度上(5KM左右)的颗粒物散射系数和消光系数接近某一固定值，并认为大气消光系数与后向散射系数的比为8π/3，但实际情况却未必符合上述条件，且这种方法只能是在垂直方向上解算使用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种获取气溶胶消光系数的方法和装置，从而可以精确地计算出气溶胶消光系数。
本发明的技术方案具体是这样实现的：
一种获取气溶胶消光系数的方法，该方法包括：
使用激光雷达将激光脉冲发射到大气中，接收并测量得到该激光脉冲被大气散射后的后向散射光的功率；
在至少一个预设位置使用大气积分浊度仪测量得到该预设位置处的大气修正参数；
根据大气修正参数得到气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式；
将后向散射光的功率以及气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式代入激光雷达方程，计算得到预设位置处的气溶胶消光系数。
可选的，气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式为：
其中，βa(z)为后向散射系数，αa(z)为气溶胶消光系数，a表示气溶胶，z为距离，A为大气修正参数。
可选的，所述激光雷达方程为：
其中，P(z)为接收到的激光脉冲被大气散射后的后向散射光的功率，P0为激光雷达所发射的激光脉冲的峰值功率，Y(z)为发送器与接收器光路的几何重叠系数，tp为激光脉冲宽度，c为光速，A0是望远镜接收面积。
可选的，该方法进一步包括：
在所述激光雷达处设置一台大气积分浊度仪；
使用计算得到激光雷达处的气溶胶消光系数，对激光雷达进行校正。
本发明还提供了一种获取气溶胶消光系数的装置，该装置包括：激光雷达、处理器和至少一台大气积分浊度仪；
所述激光雷达，用于将激光脉冲发射到大气中，接收并测量得到该激光脉冲被大气散射后的后向散射光的功率，将后向散射光的功率传输给处理器；
所述大气积分浊度仪设置在预设位置处，用于测量得到预设位置处的大气修正参数，将大气修正参数传输给处理器；
所述处理器，用于根据大气修正参数得到气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式，并将后向散射光的功率以及气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式代入激光雷达方程，计算得到预设位置处的气溶胶消光系数。
可选的，所述大气积分浊度仪设置在水平方向上的一个或多个预设位置处；
或者，所述大气积分浊度仪设置在垂直方向上的一个或多个预设位置处。
如上可见，在本发明中的获取气溶胶消光系数的方法和装置中，由于在预设位置处使用大气积分浊度仪测量得到预设位置处的大气修正参数A，得到气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式，然后再将该关系式代入激光雷达方程中，从而可以计算得到各个预设位置处的准确的气溶胶消光系数。因此，本发明的技术方案可以在水平、垂直等多种场合使用，可以更好地对大气颗粒物进行实时、高精度监测。
附图说明
图1为本发明实施例中的获取气溶胶消光系数的方法的流程图。
图2为本发明实施例中的获取气溶胶消光系数的装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。
激光在大气中传播时，遇到大气分子、气溶胶粒子、云以及降水等，会产生散射。激光雷达方程是一种定量描述激光在大气中传播过程的方程，激光雷达回波信号包含了大气气溶胶的光学信息。这些信息需要在获取激光雷达数据后，对激光雷达数据中的回波信号进行反演才能获得。
本发明提出了一种获取气溶胶消光系数的方法，从而可以精确地计算出气溶胶消光系数。
图1为本发明实施例中的获取气溶胶消光系数的方法的流程图。
如图1所示，本发明实施例中的获取气溶胶消光系数的方法包括如下所述步骤：
步骤11，使用激光雷达将激光脉冲发射到大气中，接收并测量得到该激光脉冲被大气散射后的后向散射光的功率。
在本发明的技术方案中，先使用激光雷达产生激光脉冲，然后将激光脉冲发射到大气中。激光脉冲在大气中传输时，遇到大气分子、气溶胶粒子、云以及降水等，便会发生散射，被散射的激光脉冲的小部分能量——后向散射光将会落入接收望远镜视场被接收，因此可以测量得到该激光脉冲被大气散射后的后向散射光的功率，该功率中包含了大气气溶胶的光学信息。
步骤12，在至少一个预设位置使用大气积分浊度仪测量得到该预设位置处的大气修正参数A。
在本发明的技术方案中，可以在一个或多个预设的位置上，设置大气积分浊度仪或者使用大气积分浊度仪测量得到各个预设位置处的大气修正参数A。其中，大气修正参数A的取值与周边温度，湿度以及地理区域有关，但大气修正参数A的取值可以用大气积分浊度仪准确测量。
步骤13，根据大气修正参数A得到气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式。
对于由于气溶胶而引起的米散射，应该存在以下的两种情况：
1、若在距离z处，安装一个镜面玻璃，则激光束在此位置将会全部被反射，激光脉冲不再向前传输，此时该激光脉冲的消光系数为无穷大，而后向散射系数为1。
2、若在一个真空环境中，则激光脉冲不会有散射，则此时的消光系数和后向散射系数都应该是0。
根据上述的两种情况，并通过具体的实验，发明人发现，作为一个可选的实施例，对于气溶胶引起的米散射，可以将气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式表示为：
其中，βa(z)为后向散射系数，αa(z)为气溶胶消光系数，a表示气溶胶，z为距离，A为大气修正参数。
因此，在测量得到上述大气修正参数A之后，即可得到气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式。
步骤14，将后向散射光的功率以及气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式代入激光雷达方程，计算得到预设位置处的气溶胶消光系数。
当激光脉冲在大气中传输时，要受到大气分子和气溶胶粒子的共同作用，因此，激光雷达方程中的后向散射系数β(z)和消光系数α(z)实际应包括两部分，即分子散射部分和气溶胶散射部分。
在激光雷达方程中，将分子散射和气溶胶散射分开来考虑，即：
β(z)＝βm(z)+βa(z) (2)
α(z)＝αm(z)+αa(z) (3)
其中，下标m表示大气分子，下标a表示气溶胶，βm(z)为大气分子的后向散射系数，βa(z)为气溶胶的后向散射系数，αm(z)为大气分子的消光系数，αa(z)为气溶胶的消光系数。
因此，激光雷达方程可以表示为：
其中，P(z)为接收到的激光脉冲被大气散射后的后向散射光的功率，P0为激光雷达所发射的激光脉冲的峰值功率，Y(z)为发送器与接收器光路的几何重叠系数，λ为接收到的后向散射光的波长，tp为激光脉冲宽度，c为光速，A0是望远镜接收面积。
对于分子引起的瑞利散射，其消光系数与后向散射系数之比满足如下关系：
而对于气溶胶引起的米散射，其消光系数与后向散射系数满足上述的公式(1)，即：
将上述的公式(1)和公式(5)代入上述的激光雷达方程，即公式(4)中，即可计算得到预设位置处的气溶胶消光系数。
在现有技术中的传统雷达解算方法中，需要已知一个边界点处的后向散射系数β(zc)和消光系数α(zc)。但是，在传统的雷达系统里，这两个值无法准确获得。另外，在传统雷达解算方法中，大气分子的消光系数一般是根据美国标准大气模型来确定。但是，该模型极其不准确，而且不同地域的地理差异性非常大，因此根据传统雷达解算方法很难通过计算得到精确的气溶胶消光系数。
而在本发明的技术方案中，并不需要已知一个边界点处的后向散射系数β(zc)和消光系数α(zc)，也不需要使用美国标准大气模型，同时也并不假设某一高度上的颗粒物散射系数和消光系数接近某一固定值，而是在各个预设位置处使用大气积分浊度仪测量得到各个预设位置处的大气修正参数A，得到一个气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式然后再将该关系式代入激光雷达方程中，从而可以计算得到各个预设位置处的准确的气溶胶消光系数。由于上述的预设位置可以设置一个或多个，因此可以很容易地计算得到不同高度、不同位置的准确的气溶胶消光系数，而且还可以对标准大气模型根据地域差异进行相应的校正。
另外，还可以在激光雷达处也使用大气积分浊度仪测量得到该位置处的大气修正参数A，然后使用上述方法计算得到激光雷达处的气溶胶消光系数，从而也可以对激光雷达进行校正，有效地提高激光雷达的精度，使得激光雷达可以适用于更多的应用场景。
此外，在本发明的技术方案中，可以在多个位置上设置多台大气积分浊度仪，例如，在水平扫描的时候，可以在激光雷达附近放置一台大气积分浊度仪；而在激光雷达的扫描路径上，可以间隔一个固定距离(例如，2公里左右)就放置一台大气积分浊度仪。这样，在激光雷达进行水平扫描的过程中，可以进行同步校准。通过这样的方式，不仅能提高雷达数据的精度，同时也可以获得更高的准确度。
另外，在本发明的技术方案中，还提供了一种获取气溶胶消光系数的装置，具体请参见图2。
图2是本发明实施例中的获取气溶胶消光系数的装置的结构示意图。
如图2所示，该获取气溶胶消光系数的装置包括：激光雷达21、处理器22和至少一台大气积分浊度仪23；
所述激光雷达21，用于将激光脉冲发射到大气中，接收并测量得到该激光脉冲被大气散射后的后向散射光的功率，将后向散射光的功率传输给处理器22；
所述大气积分浊度仪23设置在预设位置处，用于测量得到预设位置处的大气修正参数A，将大气修正参数A传输给处理器22；
所述处理器22，用于根据大气修正参数A得到气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式，并将后向散射光的功率以及气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式代入激光雷达方程，计算得到预设位置处的气溶胶消光系数。
另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述激光雷达处设置有一台大气积分浊度仪，因此可以使用上述的装置计算得到激光雷达处的气溶胶消光系数，从而也可以对激光雷达进行校正，有效地提高激光雷达的精度，使得激光雷达可以适用于更多的应用场景。
另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述大气积分浊度仪可以设置在水平方向上的一个或多个预设位置处，也可以设置在垂直方向上的一个或多个预设位置处，从而可以很容易地计算得到不同高度、不同位置的准确的气溶胶消光系数。
另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，可以在激光雷达的扫描路径上，每间隔一个固定距离(例如，2公里左右)再放置一台大气积分浊度仪，从而可以在激光雷达进行水平扫描的过程中进行同步校准，不仅能提高雷达数据的精度，同时也可以获得更高的准确度。
综上所述，在本发明的技术方案中，由于在预设位置处使用大气积分浊度仪测量得到预设位置处的大气修正参数A，得到气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式，然后再将该关系式代入激光雷达方程中，从而可以计算得到各个预设位置处的准确的气溶胶消光系数。因此，本发明的技术方案可以在水平、垂直等多种场合使用，可以更好地对大气颗粒物进行实时、高精度监测，而且具有高测量精度的颗粒物浓度检测能力，具有颗粒物粒径大小检测能力，具有高灵敏度的能见度检测能力，具有自动零点和标点校准功能。
此外，本发明的技术方案不需要使用传统方法中所需要的耗材，而且几乎不需要后期维护，单台设备的造价成本也相对较低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (6)
1.一种获取气溶胶消光系数的方法，其特征在于，该方法包括：
使用激光雷达将激光脉冲发射到大气中，接收并测量得到该激光脉冲被大气散射后的后向散射光的功率；
在至少一个预设位置使用大气积分浊度仪测量得到该预设位置处的大气修正参数；
根据大气修正参数得到气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式；
将后向散射光的功率以及气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式代入激光雷达方程，计算得到预设位置处的气溶胶消光系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式为：
其中，βa(z)为后向散射系数，αa(z)为气溶胶消光系数，a表示气溶胶，z为距离，A为大气修正参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光雷达方程为：
其中，P(z)为接收到的激光脉冲被大气散射后的后向散射光的功率，P0为激光雷达所发射的激光脉冲的峰值功率，Y(z)为发送器与接收器光路的几何重叠系数，tp为激光脉冲宽度，c为光速，A0是望远镜接收面积。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：
在所述激光雷达处设置一台大气积分浊度仪；
使用计算得到激光雷达处的气溶胶消光系数，对激光雷达进行校正。
5.一种获取气溶胶消光系数的装置，其特征在于，该装置包括：激光雷达、处理器和至少一台大气积分浊度仪；
所述激光雷达，用于将激光脉冲发射到大气中，接收并测量得到该激光脉冲被大气散射后的后向散射光的功率，将后向散射光的功率传输给处理器；
所述大气积分浊度仪设置在预设位置处，用于测量得到预设位置处的大气修正参数，将大气修正参数传输给处理器；
所述处理器，用于根据大气修正参数得到气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式，并将后向散射光的功率以及气溶胶消光系数与后向散射系数的关系式代入激光雷达方程，计算得到预设位置处的气溶胶消光系数。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：
所述大气积分浊度仪设置在水平方向上的一个或多个预设位置处；
或者，所述大气积分浊度仪设置在垂直方向上的一个或多个预设位置处。
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