激光雷达测量大气气溶胶的数据处理研究

【摘 要】论文介绍了激光雷达探测大气云和气溶胶的原理及探测系统，主要对探测云和气溶胶的激光雷达数据处理方法进行了较为详细地研究，介绍了云和气溶胶的消光系数及衰减的后向散射系数的反演方法等，并给出了相应的处理结果。

【关键词】激光雷达；气溶胶；大气探测

Analysis of Dada Processing for Atmospheric Detection Lidar

ZHAO Yun-shan CHEN Peng-ju YANG Zhao LI Qiang

（Department Of Physics and Electronics Lianyungang Teachers College， Lianyungang Jiang Su， 222006）

【Abstract】The measured principle of detecting cloud and aerosol Lidar is discribed. The analysis on data processing of cloud and aerosol is researched and the inversion method of extinction coefficient and backscatter coefficient is produced. A example of 24-h continuous observation in gived in detail.

【Key words】Lidar；Aerosol；Atmospheric detection

0 引言

气溶胶粒子是指悬浮在大气中的直径为0.001-10μm的固体或液体粒子，其质量仅占整个大气质量的十亿分之一，但却对大气中的气候变化、云量及云的寿命、光学特性的改变等有着十分重要的影响，通过气溶胶表面的化学反应能影响大气的组成成份，进而影响全球的气候环境。由于目前缺乏全球范围内空间和时间分布资料，大气气溶胶和云的具体作用机制还存在很多不确定性，这大大限制了人类对气候系统及全球气候变化趋势的认识。

激光雷达是一种主动式光学遥感设备，它以激光为光源，通过探测激光与大气相互作用的辐射信号来遥感大气。由于使用探测束的波长较短且定向性强，激光雷达具有很高的空间、时间分辨能力及探测灵敏度，目前已经成为探测大气气溶胶物理-光学性质的一个重要手段。通过激光光波与大气的相互作用，会产生包含气体原子、分子、大气气溶胶粒子和云等有关信息的辐射信号，利用相应的反演方法则可以获得气体原子、分子、大气气溶胶粒子和云等大气成份的信息。

1 激光雷达系统

大气激光雷达系统主要包括激光发射单元、接收单元、信号探测单元和数据采集单元[1]，发射及接收单元的光学结构参数见表1。发射单元中采用二极管泵浦Nd：YVO4固体激光器作激光光源，它通过声光Q开关输出波长1064nm、脉宽100ns以下的短脉冲激光束。此外，该单元中有一个40倍率扩束镜，可以对窄脉冲激光束进行扩束，使其达到ANSI[2] Z136.1-1986中对人眼激光曝光量的安全要求标准。接收单元的主要部分是一台美国MEADE公司生产的施密特-卡塞格林型反射式望远镜，主镜为直径254mm的抛物面；副镜为直径94mm的双曲面；组合焦距85cm。组合焦点处有一直径可变的小孔光阑使望远镜视场角在0.1～0.5mrad之间可调。回波光信号通过光纤传送到探测单元，即Si：APD单光子计数器，其动态范围约10个数量级，满足了米散射激光雷达对远距离气溶胶信号的探测要求，量子效率可达70﹪。

表1 激光雷达系统光学结构参数

Table 1 Parameters of mie-scattering lidar system

本系统激光发射与接收单元不同轴，导致在一定范围内发射激光束只能逐渐进入接收望远镜的视场，因此接收信号强度必须受系统重叠因子Y（r）的修正[3]。

根据激光雷达方程，接收的信号光子数为[4]

N（r）=·Y（r）·T·Δr·β（r）·e（1）

其中，η是探测器量子效率；λ是激光波长（nm）；E0是激光发射脉冲能量（J）；h是普朗克常数；c是光速（m/s）；A是望远镜有效接收面积（m2）；Y（r）是重叠因子；T是系统光学总透过率；Δr是激光雷达距离分辨率（m）；β（r）是距离 处大气后向散射系数（km-1Sr-1）；σr是距离r处的大气消光系数（km-1）。对于确定的激光雷达系统及其参数，在水平激光发射和均匀大气情况下，（1）式可以简化为

N（r）=N0··Y（r）·e-2σr（2）

一般远场激光束波面为高斯分布。根据表1中的参数可得出接收相对光子数N（r）N0的分布曲线。但是，经过40倍率扩束镜的出射光束发散角不一定压缩了40倍，需要调整扩束镜筒长才能达到最佳效果。过大的发散角会对Y（r）及相对接收光子数N（r）N0的分布产生影响，如图2和3所示。图中可以看出，随着发散角的增大，重叠因子及接收相对光子数分布形状变化也较大。当扩束倍率为10时，其相对误差达到60%以上。

图2 不同扩束倍率下的重叠因子

2 数据处理方法

在过去的几十年，已经出现了多种利用激光雷达回波信号反演粒子消光系数和后向散射系数的方法。常用的方法主要包括斜率法，Klett方法[5]，Fernald方法[6]，以及线性迭代方法[7]等。

2.1 斜率法

由激光雷达方程可得：

β′（r）=CE（PTotal（r）-Pbg）r2=exp-2σ（r′）dr′β（r）=β（r）T2（r）（3）

假设某个区域内（rtop>r>rbottom）大气均匀分布，即后向散射系数和消光均为常数，对（3）式两边取对数，则激光雷达方程变为线性回归方程，假定从上到下对信号进行积分：

lnβ′（r）=lnβ（r）-2-2σ（r′）dr′-2σ（rtop-r）=CX+2σ·r（4）

因此对lnβ′（r）和r进行最小二乘法线性拟合，其斜率的一半则是大气消光系数σ。该方法忽略了激光雷达接收到的回波信号中的小尺度起伏，给出的是一段距离上大气消光系数σ的平均值。

2.2 Klett方法

斜率法仅仅适合于均匀大气的探测。对于非均匀大气，σ（r），β（r）不再为定值，斜率法将不再适用。

Klett假定σ（r），β（r）存在下述关系：

β=kσj（5）

对（4）式进行距离微分，结合（5）式得：

=-2σ（r）（6）

上式为一阶伯努利方程。假设X（r）=ln（β′（r）），则由（6）式得：

σ（r）=（7）

由于（7）式分母中的两项之差可以很小甚至为零，故其解很不稳定，经常会产生严重发散的结果。假定j为1，Klett提出了更加稳定的解的形式：

σ（r）=（8）

式（7）为前向积分式，σ（r0）为其边界条件，式（8）为后向积分式，σ（rM）为其边界条件。利用（7）、（8）可以求得不同高度处的大气消光系数。边界条件σ（r0）和σ（rM）可以假设某一小段范围内大气均匀利用斜率法计算得到。

2.3 Fernald方法

当激光在大气中传播时，要受到大气分子和气溶胶粒子（云粒子）两部分同时作用。因此激光雷达方程中σ（r），β（r）实际上包括两部分，即分子贡献部分和气溶胶（云）贡献部分，故有：

β（r）=βp（r）+βm（r）（9）

σ（r）=σp（r）+σm（r）（10）

对于校准的激光雷达方程，得到的前向反演解为：

β（r）=βm（r）+βp（r）

=（11）

后向反演解为：

β（r）=βm（r）+βp（r）

=（12）

其中，Sm为大气分子的后向散射比，而Sp为粒子的后向散射比，

Sm=σm（r）βm（r）=8π3（13）

Sp=σp（r）βp（r）（14）

σp（r）=Spβp（r）（15）

其中，rc为参考高度，在此高度上气溶胶散射足够小可以忽略。可通过选取近乎不含气溶胶的清洁大气层所在的高度来确定。

斜率法和Klett方法获得的是包含大气分子和大气气溶胶粒子或云粒子的大气总消光系数，而Fernald方法将大气分子与大气气溶胶或云的消光系数分开考虑来求解激光雷达方程，是激光雷达方程各种反演方法具有代表性也是最常用的一种方法。

2.4 线性迭代法

线性迭代方法考虑了大气分子和大气气溶胶粒子或云粒子两种大气成份，同时可以对后向散射比进行调整。该方法将大气（云/气溶胶）分为等厚的N份，垂直厚度为Δr=（rt-rb）/N，距离l从1→N。具体迭代公式如下：

β=β′l+1exp2S（β′l+1+βl）2+（βn+βn-1）2Δr（16）

迭代过程持续进行，直到β值收敛于一点，迭代过程结束。

3 对流层云和气溶胶后向散射系数反演

本实验中主要利用Fernald方法进行数据处理和后向散射系数的反演工作。下图给出了激光雷达系统在2011年11月12日测量得到的衰减的后向散射系数进行20km水平平均获得的廓线，其中2-4km范围内存在一层气溶胶层，其后向散射系数相对于其他高度明显偏大。

图3 对流层气溶胶衰减的后向散射系数

上面仅给出了单一特征存在时其后向散射系数的反演结果，当多种特征同时存在时，反演算法变得非常复杂，需要首先反演上层特征的后向散射系数、消光系数及其光学厚度，并对激光雷达廓线进行修正，这样才能够准确获得下层特征的光学特性，这也是今后研究的重点工作。

【参考文献】

[1]Yang Zhao，Li Qiang.Study about atmosphere extinction coefficient based on 1064nm Mie-scattering lidar[J].Chinese J. Laser Technology，2006，30（2）：170-173.（in Chinese）.

[2]American National Standards Institute，“American national standard for the safe use of lasers”[J].ANSI Z136.1-1986，pp.1-96，1986.

[3]Zhong Zhiqing，Zhou Jun.Calculation of detect signal on micropulse lidar[J].Chinese J. Quantum Electron，2003，20（5）：618-622.（in Chinese）.

[4]Yang Chunhu，Sun Dongsong，Li Hongjing.Photon counting applied to imaging lidar[J].Chinese J. Infrared and Laser Engineering.2005，34（5）：517-520（in Chinese）.

[5]J. D. Klett.Stable Analytical Inversion Solution for Processing Lidar Returns， Appl[J]. Opt.，1981，Vol.20：211-220.

[6]F. G. Fernald.Analysis of atmospheric lidar observations： some comments，Appl[J]. Opt.，1984，Vol.23：652-653.

[7]C. M. R. Platt，S. A. Young，P. J. Manson et al..The Optical Properties of Equatorial Cirrus from Observations in the ARM Pilot Radiation Observation Experiment， J.[J].Atmos. Sci.，1998，Vol.55：1977-1996.

[责任编辑：尹雪梅]

推荐访问:气溶胶 数据处理 大气 测量 激光

---