CN207730938U - 一种移动式气溶胶激光雷达网络数据质控系统 - Google Patents

一种移动式气溶胶激光雷达网络数据质控系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种移动式气溶胶激光雷达网络数据质控系统，具有容置空间的车载；定标源激光雷达设于所述车载内部；气溶胶激光雷达，若干个，位于不同的大气探测区域位置，所述定标源激光雷达在所述车载的移动下接近所述气溶胶激光雷达并与其通过网络连接。本实用新型的目的是要提供一种可移动的，可靠性高的激光雷达网络数据质控系统。

Description

一种移动式气溶胶激光雷达网络数据质控系统
技术领域
本实用新型涉及大气监测技术领域，具体涉及一种移动式气溶胶激光雷达网络数据质控系统。
背景技术
大气气溶胶是指悬浮在大气中直径为0.001～100μm的固态、液态和固液混合态的微粒体系。气溶胶是大气的重要组成部分，它的产生既有自然因素，比如地球的自然循环产生的粉尘颗粒等；也有人为因素，主要是工业、农业、交通、建筑等直接向对流层中的排放产生的悬浮颗粒等。大气气溶胶在大气中的含量较低，但是却有着十分重要的作用，太阳光在到达地面之前会经过气溶胶的散射，能量减弱，进而影响到地气系统的能量平衡；气溶胶本身浓度达到一定程度时，其作为云凝结核的一种会导致云滴数密度增加、云滴谱改变、云反照率增加、云的寿命增加等，进而会对地球的大气环境产生影响。不仅如此，大气气溶胶还会对生活在环境中的生物健康直接产生影响，近些年来在京津冀地区频繁产生的重雾霾天气导致区域性呼吸道病人比例上升，历史上的“伦敦烟雾”和“美国洛杉矶烟雾”也都很典型的气溶胶污染事件，给人类的健康带来了极大的危害。
就中国来看，来看以PM2.5和PM10为代表的气溶胶数据，在2015 年发表的中国环境状况公报中，监测结果显示，有73个城市环境空气质量达标，占21.6％；265个城市环境空气质量超标，占78.4％。 2015年，PM2.5年均浓度范围为11～125微克/立方米，平均为50微克/立方米(超过国家二级标准0.43倍)；日均值超标天数占监测天数的比例为17.5％；达标城市比例为22.5％。PM10年均浓度范围为24～ 357微克/立方米，平均为87微克/立方米(超过国家二级标准0.24 倍)，比2014年下降7.4％；日均值超标天数占监测天数的比例为12.1％；达标城市比例为34.6％。所以当前我国的气溶胶污染还比较严重，也急需各种有效的监测手段进行监测。
研究气溶胶的气候效应、环境效应和辐射效应，并较为精确测量气溶胶的含量、散射和吸收特性及其时空分布等特征，都已成为世界各国的气象学家、环境学家和大气科学家等共同关心的问题。激光雷达作为一种主动式的现代光学遥感设备，可以连续地探测大气中气溶胶粒子的光学特性垂直分布特征，较好的弥补以往探测仪器(比如 PM2.5分析仪，PM10分析仪等)的只能探测地表数据的不足。同时相比于探空仪器来说，激光雷达也具有获取数据快、时空分辨率高、可无人值守、数据连续等优点，激光雷达的这些独特优势，使它成为探测研究大气气溶胶的有效手段，并且随着激光技术和弱光信号检测技术的发展，激光雷达系统越发的完善，大大增强了激光雷达探测气溶胶参数的能力。目前，全球已经建立了多个激光雷达观测网，如美国国家航空航天局NASA的MPLNET(Micro-Pulse LidarNetwork)、欧洲的激光雷达观测网EARLINET(European Aerosol Research LidarNetwork)等。
然而在气溶胶激光雷达网络中，由于不同的激光雷达之间的激光器特性、探测器特性、光学装调、不同厂家之间的装调工艺等方面不同，激光雷达性能之间存在很大的差异，在2008年10月世界气象组织(WMO)发布的GAW Report No.178《Plan forimplementation of the GAW Aerosol Lidar Observation Network GALION》文件中给出了大概的米散射激光雷达消光系数误差为50％左右，拉曼激光雷达本身的误差在10％左右，而且随着时间的推移，仪器本身的老化等问题，误差会逐渐的加大。因而如何能够有效评价激光雷达系统的数据质量，开发气溶胶激光雷达组网提供数据控制标校系统，成为一项急需的研究课题。
实用新型内容
因此，本实用新型的目的是要提供一种可移动的，可靠性高的激光雷达网络数据质控系统。
本实用新型提供的一种移动式气溶胶激光雷达网络数据质控系统，包括：
车载，具有容置空间；
定标源激光雷达，设于所述车载内部；
气溶胶激光雷达，若干个，位于不同的大气探测区域，所述定标源激光雷达在所述车载的移动下接近所述气溶胶激光雷达并与其通过网络连接。
可选地，所述定标源激光雷达为振动拉曼激光雷达。
可选地，所述振动拉曼激光雷达上设有太阳光度计。
可选地，所述振动拉曼激光雷达包括：
前光路系统，包括依次相接的激光器、扩束器和折反镜；
后光路系统，包括依次相接的望远镜、可变光阑和准直透镜；
经过所述准直透镜出来的平行光进入波长分束器，大于原始激光波长的光束直接通过振动拉曼通道；含有原始波长回波信号光束反射至偏振分束器后分别进入原始波长后向散射回波的平行通道和垂直通道，分束后的光分别通过不同的光电倍增管进行信号放大并转化为电信号；电信号由数据采集模块采集；数据采集模块与计算机连接。
可选地，光束经所述波长分束器后，大于360nm波长的光束直接通过387nm通道；小于360nm波长的光束反射至偏振分束器后分别进入至355nm平行通道和355nm垂直通道。
可选地，所述振动拉曼激光雷达与车载的接触面之间设有减振器。
可选地，所述车载上还设有定位装置。
可选地，所述车载上还设有温度传感器和/湿度传感器和/或温控
系统。本实用新型技术方案，具有如下优点：
1.本实用新型提供的一种移动式气溶胶激光雷达网络数据质控系统,采用经过高标准测试的振动拉曼激光雷达作为定标源，相比于米散射激光雷达来讲，探测的精度更高，受到大气污染的影响更小。
2.本实用新型系统中的振动拉曼激光雷达本身能够高精度测量气溶胶参数，与雷达车相结合可以随时替代激光雷达网中的无法正常工作的激光雷达。
3.本实用新型方便对气溶胶激光雷达网中的激光雷达进行标校，并可与高精度太阳光度计相结合，对数据进行二次验证。
4.本实用新型能够走航观测，为应急事件、大范围的会议保障提供数据支撑，由于当前气溶胶激光雷达相对重量还比较重，一般不低于60kg，受制于激光器、望远镜等尺寸限制，气溶胶激光雷达当前还不能做到便携式、小型化，而形成走航的观测模式后可以实现随时随地的观测，扩展了气溶胶激光雷达的应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型的雷达车的结构示意图；
图3为本实用新型的振动拉曼激光雷达结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供的一种移动式气溶胶激光雷达网络数据质控系统，参见图1和图2所示，包括一定标源激光雷达，本实施例中的定标源激光雷达优选振动拉曼激光雷达2，将振动拉曼激光雷达2设置于车载1内部并与车载1内部结构相切合；多个气溶胶激光雷达分布于不同的大气探测区域位置，振动拉曼激光雷达2在车载1的移动下自身可以测量气溶胶浓度参数，同时振动拉曼激光雷达2作为定标源，接近气溶胶激光雷达网中的某待标定气溶胶激光雷达，振动拉曼激光雷达2与气溶胶激光雷达通过网络连接；车载上设有太阳光度计4。
上述系统的校准过程包括：首先对雷达车内的振动拉曼激光雷达系统进行自身校准，定标源采用太阳光度计或者其他仪器数据，确保振动拉曼激光雷达获取的大气气溶胶消光系数准确有效。振动拉曼激光雷达进行校准之后作为定标源使用(以下简称定标源激光雷达)，在条件允许的条件下，雷达车运输到气溶胶激光雷达网中某一气溶胶激光雷达的邻近位置(如图1中的气溶胶激光雷达3)，二者同时采集大气后向散射数据并各自进行反演，将气溶胶激光雷达和定标源激光雷达得到的激光雷达比廓线或者消光系数廓线进行比对，如果数据结果相差不大，则不对气溶胶激光雷达做处理；如果数据结果相差较大，则采用一定的数据算法将气溶胶激光雷达得到的消光系数或者激光雷达比数据结果校准到定标源激光雷达反演的到的消光系数或者激光雷达比上来；通过一段时间的观察，如果每次都需要校准，则判断气溶胶激光雷达产品可能存在系统老化不能使用的情况。
具体地，上述车载1采用奔驰威霆作为基础车型，它的车身公告尺寸为5370×1928×1880m3(长×宽×高)，后仓空间尺寸为 2630×1440×1300m3(长×宽×高)，在车内装有减震装置，减震装置8采用弹簧式减震结构，能够有效的防止车在遇到坑洼不平的路面时导致的仪器的硬损坏；同时在车内部增加4根支撑结构，使车顶的支撑能力提高到300kg以上。
参见图3所示，振动拉曼激光雷达2通过严格测试后作为定标源，它的本体尺寸为600×600×1200m3(长×宽×高)，底部与减震平台相连接，振动拉曼激光雷达2采用的激光器201为能够发射355nm波长的YAG晶体激光器，出射激光的单脉冲能量不小于30mJ，重频为20Hz，脉宽小于8ns，发散角小于1.5mrad，采用水循环方式来对激光头进行冷却；从激光器出射的激光经过一个8倍的扩束器202，扩束后的光束发散角为小于0.2mrad，经过扩束后的光束经过折返镜由望远镜 203的中心发射出去；激光与大气中的气体分子及气溶胶相互作用，产生拉曼回波及米散射回波，被230mm口径的望远镜203所接收并聚焦到可变光阑204处；回波光束经过可变光阑后204由一个紫外波段准直镜205准直后变成平行光，这些平行光经过波长分束器，小于 360nm的波长被反射到355nm通道中，高于360nm部分直接通过波长分束器经过0.5nm带宽的干涉滤光片208的滤波到达大口径光子计数型光电倍增管209；在355nm通道的回波首先经过0.5nm带宽的干涉滤光片之后被偏振分束器207分成平行分量和垂直分量，分别被两个大口径模拟型光电倍增管211，213所接收；三个光电倍增管的数据由高速采集模块210，212进行采集，采集到的数据由计算机214进行处理后在专门的处理软件上进行显示，显示的项目包括：355nm平行通道原始信号，355nm垂直通道原始信号，387nm通道原始信号，米散射消光系数，拉曼散射消光系数，拉曼散射后向散射系数，激光雷达比，大气光学厚度，云底高，PM10，PM2.5等。
为了提高车载1内雷达运行的稳定性，在车载内部加设温控系统7，具体为车内的空调系统，也可以直接使用奔驰威霆车自带空调，及时将激光雷达产生的热量排出车外。
本实施例中的高精度太阳光度计4，采用法国CIMEL公司制造的能够自动跟踪扫描的CE318型太阳光度计，该仪器在可见近红外波段有 8个光谱通道，它不仅能自动跟踪太阳作太阳直射辐射测量，还可以进行太阳高度角天空扫描、太阳主平面扫描和极化通道天空扫描。 CE318测得的直射太阳辐射数据和天空扫描数据，可以反演大气光学厚度，通过与激光雷达测试反演得到的大气光学厚度进行比对，对测试得到的数据进行二次验证。
本实施例中的高精度GPS定位装置3，位于雷达车的顶部，选用北京瑞芬星通有限公司生产的GP208T型北斗GPS定位定向板卡，它的单点定位精度达到2m，定向精度为0.2°，在软件中可以根据此GPS提供的信息结合商业地图重构出雷达车的运行轨迹。
本实施例中的湿度传感器6选用深圳市胜群科技发展有限公司的 SQHT01型传感器，它是一种电容式湿度传感器，它的湿度精度可达 5％RH，能够满足系统需要，在湿度大于70％时，在软件中发出预警信息。温度传感器5选用美国DALLAS公司的DS18B20型，它在-10℃ to +85℃的范围内的温度精度可达±0.5℃，在车内的温度高于30℃或者低于5℃时，在软件中给出预警信息；利用车内的自带空调及温湿度传感器，可以准确测量车内的温湿度数据，使车内的振动拉曼激光雷达工作在合适的环境中。
在整个系统中，振动拉曼激光雷达2、太阳光度计4、温度传感器 5、湿度传感器6、温控系统7及高精度GPS定位装置3都可以通过一个综合控制软件进行控制，在测量时能够获得高精度的地图位置数据，能够在软件中显示355nm平行通道原始信号及距离平方校正信号，
355nm垂直通道原始信号及距离平方校正信号，387nm通道原始信号及距离平方校正信号，米散射消光系数，拉曼散射消光系数，拉曼散射后向散射系数，激光雷达比，大气光学厚度，云底高，PM10，PM2.5 等，形成一个相对稳定的系统。
下面给出可参考的拉曼气溶胶激光雷达消光系数求解方法。
在光子计数模式下，气溶胶消光系数可由氮气的拉曼通道求解，经过推导可得：
在式(1)中，NV表示氮气振动拉曼通道(387nm通道)接收到的光子数强度，n(r)和σmV分别为氮气的分子数密度和后向散射截面，和分别是大气分子对波长355nm和387nm的消光系数，和分别是气溶胶对波长355nm和387nm的消光系数，C1为系统常数，Δr表示发射系统和接收系统的几何重叠因子。
若接收系统的角度能够覆盖发射系统的角度，则几何重叠因子为一常数，同时C1为系统常数，基本不变，则根据(1)式对距离r求导：
同时假定气溶胶的消光系数满足以下关系：
根据式(2)和(3)可以得到：
大气分子消光系数由美国标准大气分子模式确定：
αm(λ,z)＝βm(λ,z)×Sm (6)
为瑞利散射中大气分子的消光后向散射比。
根据式(4)结合式(5)和(6)可以得到气溶胶的消光系数曲线。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种移动式气溶胶激光雷达网络数据质控系统，其特征在于，包括：
车载(1)，具有容置空间；
定标源激光雷达，设于所述车载(1)内部；
气溶胶激光雷达，若干个，位于不同的大气探测区域位置，所述定标源激光雷达在所述车载的移动下接近所述气溶胶激光雷达并与其通过网络连接。
2.根据权利要求1所述的移动式气溶胶激光雷达网络数据质控系统，其特征在于，所述定标源激光雷达为振动拉曼激光雷达(2)。
3.根据权利要求2所述的移动式气溶胶激光雷达网络数据质控系统，其特征在于，所述振动拉曼激光雷达(2)上设有太阳光度计(4)。
4.根据权利要求2或3所述的移动式气溶胶激光雷达网络数据质控系统，其特征在于，所述振动拉曼激光雷达(2)包括：
前光路系统，包括依次相接的激光器(201)、扩束器(202)和折反镜；
后光路系统，包括依次相接的望远镜(203)、可变光阑(204)和准直透镜(205)；
经过所述准直透镜(205)出来的平行光进入波长分束器(206)，分束后的光分别通过不同的光电倍增管(209，211，213)进行信号放大并转化为电信号；电信号由数据采集模块(210，212)采集；数据采集模块与计算机(214)连接。
5.根据权利要求4所述的移动式气溶胶激光雷达网络数据质控系统，其特征在于，光束经所述波长分束器(206)后，大于原始激光波长的光束直接通过振动拉曼通道；含有原始波长回波信号光束反射至偏振分束器后分别进入原始波长后向散射回波的平行通道和垂直通道。
6.根据权利要求4所述的移动式气溶胶激光雷达网络数据质控系统，其特征在于，所述振动拉曼激光雷达(2)与车载(1)的接触面之间设有减振器(8)。
7.根据权利要求6所述的移动式气溶胶激光雷达网络数据质控系统，其特征在于，所述车载(1)上还设有定位装置(3)。
8.根据权利要求6所述的移动式气溶胶激光雷达网络数据质控系统，其特征在于，所述车载(1)上还设有温度传感器(5)和/或湿度传感器(6)和/或温控系统(7)。
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