基于Fernald方法532nm激光雷达气溶胶探测试验

柳云雷， 李 华 ， 陈玉宝， 高玉春

（1．成都信息工程学院 电子工程学院，四川 成都 610225；2．中国气象局气象探测中心，北京 100081；3．大连市气象装备保障中心 山东 大连 116001）

激光雷达（Light Detection And Ranging，LiDAR）是一种拥有较高时空分辨率的主动式现代光学遥感设备，以激光器作为辐射源，光电探测器为接收器件，光学望远镜为天线，通过探测激光与目标物相互作用而产生的辐射信号来遥感目标物的一种雷达。它具有高分辨率、抗干扰能力强、结构简单、易于操作等优点，可用来进行精细测距、测速、测角，还可进行超低空飞行目标的跟踪，同时由于其结构简单小巧，便于隐蔽，在军事技术装备中也得到较为广泛的应用[1]。

在气象方面激光雷达主要用于研究测量和观察地球大气的物理和化学特性以及一些大气现象，内容主要有大气气体成分浓度、气溶胶、温度、湿度、压力、风场、大气涡流、蒸发、云、辐射、大气能见度等[2]。

1 米散射激光雷达探测原理

激光雷达探测原理主要是以脉冲激光器作为光源，向大气中发射高功率的窄脉冲激光束，当激光照射气溶胶时产生散射现象，利用光学望远镜收集散射的回波信号进行能量或光谱分析，还可将回波信号进行光电转换后送入计算机进行数据处理，从而获得大气参量的高度分布[3]。

当激光雷达发射的激光束通过大气时，会与大气物质发生相互作用，系统接收到距离r处的大气后向散射回波信号的能量Pr由激光雷达方程决定[4]：

其中：

P0：激光的发射功率；

τ：单个脉冲的持续时间；

Ar：望远镜的有效接收面积；

β（r）：距离 r处大气的后向散射系数；

T（r）：大气透过率；

2 米散射激光雷达系统组成

激光雷达系统主要是由激光发射系统，光学接收系统，数据采集系统三大部分组成。主要性能指标如下：

表1 微脉冲激光雷达系统性能指标Tab.1 Micro pulse lidar system performance indicators

2.1 雷达发射单元

激光发射系统主要包括两部分：激光器和扩束镜。

本次设计的激光雷达采用二极管泵浦的Nd:YAG固体激光器，波长 532 nm（绿光），脉冲重复频率（PRF）5 000 Hz，单脉冲能量6 μJ，平均功率30 mW。扩束镜的主要作用为当激光束通过扩束镜后，光斑扩大，光束发散角变小，达到扩束准直的效果。

2.2 雷达接收单元

激光雷达的光学接收天线一般采用反射式天文望远镜，本次实验采用202 mm口径的卡塞格伦反射式望远镜，望远镜的主镜都是抛物面，副镜是双曲面。卡塞格伦望远镜凭借其设计紧凑、长焦距的联合优势逐渐成为光学天线的首选。

光学接收系统除了光学天线外，还包括窄带干涉滤光片，窄带干涉滤光片的选择取决于激光雷达使用的激光波长，本次采用中心波长532 nm、带宽10 nm的干涉滤光片，激光雷达安装窄带干涉滤波器后，能滤掉大部分背景光，极大的提高信噪比。利用光纤传输接收信号耦合至光电探测器。

2.3 雷达数据采集单元

数据采集采用直接探测的方式，将接收到的光信号通过光电倍增管和光子计数卡导入计算机对数据进行存储、处理等操作。

光电倍增管可将微弱光信号通过光电效应转变成电信号并利用二次发射电极转为电子倍增的电真空器件，对于激光雷达可用来检测微弱光信号，其量子效率为0.1。光子计数卡以800 MHz进行采样将模拟电信号转变为数字信号，存储于计算机内，光子计数卡对远距离微弱信号非常敏感，广泛的被应用激光雷达的数据采集单元中。

3 Fernald气溶胶消光系数的反演方法

在大气气溶胶探测反演方法中，通常采用Fernald方法这一经典算法。消光系数的反演公式如下[5-6]：

1）rc以下高度的气溶胶消光系数为（后向积分）：

2）rc以上高度的气溶胶消光系数为（前向积分）：

从上述的前向积分和后向积分两个式子中可以看出，若要根据测量的回波信号反演出大气气溶胶的后向散射系数βa（r）或者消光系数 σa（r），必须预先知道 S1、S2、βm（r）（或 σm（r））和参考点的初始值 βa（rc）（或 σa（rc））等几个参数。

气溶胶的消光后向散射比 S1=σa（r）/βa（r），它依赖于发射的激光波长、气溶胶的尺度谱分布和折射指数，其取值范围一般在10Sr到100Sr之间变化。对于背景期的平流层和对流层气溶胶，可以假设S1=50，这意味着气溶胶粒子的尺度谱和化学组成不随高度变化，其散射特性的变化仅仅是由于其数密度随高度发生了改变。分子的消光后向散射比是一个常数，且 S2=σm（r）/βm（r）=8π/3。

4 激光雷达系统实验测量及分析

2013年4月1日22:50～23:30在中科院空间科学与应用研究中心进行激光雷达回波数据采集，仰角45度，时间40分钟，共采集数据258组。系统整体效果图如图1所示。

图1 激光雷达整体结构图Fig.1 Structure of LIDAR

4.1 THI强度显示

将采集到的数据进行距离订正与高度订正并绘制THI强度图，如图2所示。

从图中可以看出，0.5～1.5 km之间有明显的气溶胶信号，气溶胶层厚度随时间推移而逐渐降低，在22:50左右，气溶胶层的高度为0.5～1.5 km，厚度约为1 km，23:31左右观测结束时气溶胶层的高度0.5～1.3 km，厚度约为0.8 km，这可能是由于城市夜间人类活动减少以及地面温度降低造成的。

图2 激光雷达回波强度THI图Fig.2 Echo Intensity by THI of LIDAR

4.2 气溶胶消光系数反演结果

利用Fernald方法对数据进行气溶胶消光系数反演，图3～5分别是 2013年 4月 1日 22：55分，23：13分和 23：31 的气溶胶消光系数图。

图3 2013年4月1日22：55分气溶胶消光系数图Fig.3 Aerosol extinction coefficient at 22:55 on April 1st 2013

图4 2013年4月1日23：13分气溶胶消光系数图Fig.4 Aerosol extinction coefficient at 23:13 on April 1st 2013

图5 2013年4月1日23：31分气溶胶消光系数图Fig.5 Aerosol extinction coefficient at 23:31 on April 1st 2013

从3张图上可以看出来，气溶胶消光系数在22：55分的时候，最大值在1.5 km处，到了23：13分，峰值降到了1.4 km处，厚度有所减小，到了23：31分，峰值处在1.3 km处，厚度明显减小，与THI强度显示一致。

5 结 论

在米散射激光雷达系统初步搭建完成之后，在实验室进行了本次实验[7]，研制的新雷达成功探测到了回波信号，并对探测数据进行了计算分析，得到了北京城市地区夜间短时间内低层大气气溶胶的一个逐渐减弱变化过程，并反演得到了消光系数。

在后续的工作中，我们会完成米散射激光雷达系统工程样机的制作，在实验室进行探测，并将数据与其它大气探测设备进行对比，最后会进行长期的探测，分析北京地区气溶胶消光系数的特征。

[1]毛节泰，张军华，王美华，等.中国大气气溶胶研究综述[J].气象学报，2002，60（5）:625-634.MAO Jie-tai，ZHANG Jun-hua，WANG Mei-hua.Summary comment on research of atmospheric aerosol in China[J].Acta Meteorologica Sinica，2002，60（5）:625-634.

[2]朱恩云，马駮.中国大气气溶胶研究现状[J].环境科学与管理，2008，33（12）:57-59.ZHU En-yun，MA Bo.The present situation of aerosol research in China[J].Environmental Science And Management，2008，33（12）:57-59.

[3]董云升，刘文清，刘建国，等.北京城区限车期间气溶胶特征激光雷达观测研究[J].光学学报，2009，29（2）:292-296.DONG Yun-sheng，LIU Wen-qing，LIU Jian-guo.Lidar study ofthe aerosolcharacteristic in beijing during traffic controlled[J].ACTA Optica Sinica，2009，29（2）:292-296.

[4]贺应红.Mie散射激光雷达实验系统设计与大气消光系数反演方法研究[D].成都：四川大学，2007.

[5]高飞.激光雷达精细探测大气气溶胶研究[D].西安：西安理工大学，2008.

[6]伯广宇，刘博，钟志庆，等.基于回波信号仿真的瑞利-喇曼-米激光雷达研制[J].强激光与粒子束，2009，21（9）:1321-1325.BO Guang-yu，LIU Bo，ZHONG Zhi-qing.Development of Rayleigh-Raman-Mie Lidar based on simulated signal[J].High Power Laser and Particle Beams，2009，21（9）:1321-1325.

[7]张蒙正，马杰.幂律型流体射流破碎建模和实验问题探讨[J].火箭推进，2011（4）：1-6，41.ZHANG Meng-zheng，Ma Jie.Discussion about modeling and experiment problem of power-law fluids[J].Journal of Rocket Propulsion，2011（4）：1-6，41.