多波长发光二极管光源雷达系统与近地面低层大气气溶胶探测∗

钟文婷 刘君 华灯鑫 侯海彦 晏克俊

(西安理工大学机械与精密仪器工程学院,西安 710048)

1 引 言

大气近地面含有大量的气溶胶颗粒物,而气溶胶颗粒物能够影响地气系统的辐射平衡,并通过消光作用改变能见度,影响大气化学过程从而改变温室气体成分,影响空气质量,与人类的生活和生产息息相关.对近地面大气气溶胶的研究是目前环境领域研究的热点之一[1−3].为了更好地研究近地面气溶胶的行为,须对其光学特性进行可靠的测量.

传统的地面监测仪器可以对地面上的气溶胶进行精确地连续监测,但是难以获得近地面气溶胶的垂直高度分布信息[4−6].激光雷达是探测气溶胶时间和空间分布的有效手段,但其发射波长固定,而且存在较长距离的探测盲区[7,8],使其在特定波长探测和低层大气探测时受到限制.随着遥感探测技术和发光二极管(light emitting diode,LED)光源技术的发展,近年来出现了以大功率LED作为遥感光源的光学雷达.LED光源雷达不仅具有激光雷达可以对大气进行时间和空间分布探测的特点,而且它盲区很小、发射能量对眼安全,更适合探测与人类活动密切相关且气溶胶分布较多的低层大气[9].LED光源的最显著特点是可选择的波长丰富,现在可用于遥感雷达的大功率LED的波长有十余种之多,这就对利用雷达进一步研究气溶胶的特性提供了有效手段.对LED光源雷达的研究主要以日本千叶大学的Shiina Tatsuo等学者为代表,用波长392 nm的LED研制了能够探测0—300 m距离内大气并区分粉尘特性的LED迷你雷达[10,11],用波长349 nm的LED研制了检测氢气泄漏的紧凑型Raman雷达[12,13],采用波长385 nm的LED雷达测量海浪并分析了海浪的周期和速度[14].国内除了我们在文献[15]设计的波长530 nm的LED光源气溶胶探测雷达之外,未见其他关于LED用于光学遥感雷达的报道,多波长LED雷达的研究也未见报道.

本文利用LED波长丰富的特点,提出了一种用于探测近地面低层大气气溶胶的多波长LED光源雷达系统.阐明了雷达的系统构成和工作原理,通过分析雷达的几何重叠因子,确定后向散射光完全进入望远镜接收视场角的最低高度,并研究了LED雷达的数据反演算法.建立了波长为475,530和625 nm的多波长LED光源雷达系统,在轻度、中度和重度污染天气情况下,对西安市近地面低层大气气溶胶进行了探测,获得了各波长的消光系数随高度的分布廓线.

2 多波长LED光源雷达系统

2.1 系统构成及工作原理

设计的多波长LED光源雷达系统采用同轴发射接收的模式,如图1所示,主要由LED光源发射部分、望远镜接收部分、分光与检测部分和计算机信号采集与处理部分组成.LED光源可选择的波长较多,本系统选用475,530和625 nm,研究气溶胶在这三个波长上的光学特性.采用单颗大功率LED灯珠作为光源,由脉冲驱动电源驱动LED光源发出脉冲光,脉冲波形近似矩形波,脉宽为200 ns,垂直分辨率为30 m.LED灯珠发光面积为1 mm×1 mm,发散角大,利用专门设计的准直扩束光路将光束发散角压缩至11 mrad[16].光束采用与望远镜同轴的方式射入大气.产生的后向散射光被卡塞格林望远镜的两面反射镜反射后,通过光阑进入分光与检测部分.经窄带干涉滤光片分光后由光电倍增管(PMT)接收,最后由计算机进行数据采集与处理.考虑到光源能量弱,为了有效降低回波信号的白噪声,设置了高脉冲重复频率(100 kHz),脉冲累积时间为15 min.系统在工作时,LED光源采用每间隔15 min更换一种波长光源的方法,在更换LED灯珠的同时,更换相应波长的窄带干涉滤光片,实现多波长探测.此时,由于3个波长是在间隔较短时间内探测,所以选择在气溶胶状态变化较小的无风天气下进行实验.系统主要参数如表1所列.

图1 LED光源雷达系统Fig.1.LED light source radar system.

表1 多波长LED光源雷达系统参数Table 1.Parameters of multi-wavelength LED radar system.

2.2 LED光源雷达几何重叠因子分析

研制的LED光源雷达系统采用同轴发射与接收的工作方式,接收视场角大于光束发散角时,远处的后向散射光可以完全进入接收望远镜,但近处存在一段距离的盲区和过渡区,使得近处的后向散射光不能全部被系统接收[17,18].因此,在探测近地面大气气溶胶时,为了明确后向散射光能够完全被系统接收的最低高度,需要对系统的几何重叠因子Y(R)进行分析.

LED光源雷达的几何重叠因子由发射部分和接收部分的结构确定,图2为同轴LED雷达系统发射与接收示意图,图中Dr为望远镜口径,Dt为出射光斑直径,Do为望远镜前方遮挡直径,Da为光阑直径,θr为接收视场角,θt为光束发散角.当接收视场角大于光束发散角时,若不考虑反射镜遮挡,发射光束始终在望远镜接收视场范围内.根据文献[18],后向散射光线被雷达系统接收的条件为:散射光线与光轴的夹角φ满足φ<θr/2.因此,视场内某一点发出的散射光线能否被系统接收,可分为以下三种情况:

1)受望远镜前方反射镜遮挡,在图中阴影部分,粒子产生的散射光无法进入光阑;

2)如图2中点A,经点A入射到望远镜中的后向散射光线并非全都满足φ<θr/2的条件,意味着点A产生后向散射光只有部分能通过光阑被系统接收;

3)如图2中点B,经点B入射到望远镜中的后向散射光线全都满足φ<θr/2的条件,若不考虑反射镜遮挡,点B产生后向散射光全部都可以通过光阑被系统接收.

图2 LED雷达发射与接收示意图Fig.2.Schematic of LED radar’s transmitter and receiver.

可以看出,在近距离处,即使光束截面完全处于接收视场内,产生的散射光线也不一定能全部被雷达系统接收.光束截面中,设进入望远镜视场的截面面积与光束截面总面积之比为η(R),入射到望远镜的散射光线可以全部通过光阑的区域面积与光束截面总面积之比为η′(R),几何重叠因子Y(R)应介于η(R)和η′(R)之间.

在近处,当R6R1,由于望远镜前方反射镜遮挡,光束没有进入望远镜接收视场,此时η(R)=0;当R1R2,光束全部进入接收视场,η(R)=1.

当R6R3,光束截面中的任何粒子产生的后向散射光线都不可能全部通过光阑,η′(R)=0;当R3R4,若不考虑遮挡物的影响,光束截面中的任何粒子产生的后向散射光线都能全部通过光阑被系统接收,此时η′(R)=1.

根据图2中的几何关系可以得出,R1=(Do−Dt)/(θr+θt),R2=Do/θr,R3=Dr/θr,R4=(Dr+Dt)/(θr−θt), 当R1

图3给出了根据(1)和(2)式以及表1所列系统参数绘制的η(R)和η′(R)随距离R的变化曲线.

图3 η′(R)和η(R)随距离R的变化Fig.3.Curves of η′(R)and η(R)with distance R.

从图3可知,由于几何重叠因子Y(R)介于η(R)和η′(R)之间,60 m之前,η′(R)

3 回波信号数据反演方法

LED光源雷达系统接收到大气后向散射回波信号,通过反演雷达方程获得气溶胶的消光系数和后向散射系数.雷达方程如下:

式中λ为探测波长,R为探测距离,P(λ,R)为雷达接收到的回波信号功率,C为雷达的系统常数,Y(R)为重叠因子,βa(λ,R)为气溶胶的后向散射系数,βm(λ,R)为大气分子的后向散射系数,αa(λ,R)为气溶胶的消光系数,αm(λ,R)为大气分子的消光系数.本系统采用三个不同探测波长,可得到相应的三个雷达方程.

由于LED光源雷达能量小,探测距离比较近,适合采用Fernald前向积分法[19]反演气溶胶消光系数,其数学表达式为

式中Sm=8π/3为大气分子的消光后向散射比,Sa为气溶胶的消光后向散射比,Rc为边界点高度值.

在利用Fernald前向积分法进行回波数据反演时,需要确定适合高度处的边界值,边界点的选取失误会对反演结果产生较大影响[20].根据2.2节系统几何重叠因子的分析,在60 m高度以上,几何重叠因子Y(R)=1;60 m以下,几何重叠因子Y(R)<1.根据文献[8],短距离内距离平方校正信号(range squared corrected signal,RSCS)可以认为是线性分布,利用斜率一致的原则对60 m以下的RSCS进行修正.考虑将边界点高度Rc取值在5 m,然后利用Fernald前向积分法反演5 m以上高度的气溶胶消光系数.

气溶胶消光系数的边界值αa(λ,Rc)可以根据同一高度(5 m)能见度仪数据换算得到,能见度V(单位:km)与气溶胶消光系数(单位:km−1)的经验关系式[21]为

其中大气分子的消光系数αm(λ,R)可采用美国标准大气模型的数据,q取值为

利用能见度仪的数据,通过(5)式的计算,可以获得一个比较准确的气溶胶消光系数的边界值,减小消光系数的反演误差.

4 近地面低层大气气溶胶观测与分析

2018年初,分别选取了轻度、中度和重度污染天气,利用建立的多波长LED光源雷达系统在西安理工大学雷达中心对夜晚的西安市低层大气气溶胶进行了垂直探测,获得了高度约300 m内三个波长下大气气溶胶消光特性分布,并对其变化特征进行了分析.LED光源雷达观测的同时,雷达中心的CJY-1G型前向散射能见度仪测量实时能见度,为反演消光系数提供边界值,该仪器测量范围为10—50000 m,精度为±10%(能见度61500 m时)或者±20%(能见度>1500 m时).

4.1 轻度污染天观测结果与分析

2018年2月4日晚(晴天),空气质量指数AQI在120到135之间,属于轻度污染天气.在当晚21:00(雷达中心能见度仪的能见度数据为8 km)进行了一次观测,探测结果示于图4.图4(a)为探测回波的RSCS,从探测曲线来看,530 nm波段在150 m高度内数据可靠,150 m高度以上,信噪比较低,曲线波动变大,475和625 nm波段在210 m高度内数据可靠.图4(b)为气溶胶消光系数的高度分布曲线,三个波长的消光系数随高度增加逐渐减小,在5—210 m高度内,475 nm波段消光系数从0.66 km−1减小到0.09 km−1,625 nm波段消光系数从0.47 km−1减小到0.06 km−1,530 nm波段消光系数在5—150 m高度内从0.57 km−1减小到0.13 km−1.

图4 2018年2月4日21:00垂直观测结果 (a)RSCS;(b)消光系数高度分布曲线Fig.4.Vertical observations at 21:00 on February 4,2018:(a)RSCS;(b)aerosol extinction coefficient.

4.2 中度污染天观测结果与分析

2018年3月20日晚至21日凌晨(多云间晴),空气质量指数AQI在169到178之间,属于中度污染天气.在夜晚21:00、凌晨0:00和3:00分别用三个波长对气溶胶进行了探测,图5为系统探测到的回波RSCS,从曲线的波动可以看出,475和625 nm波段在300 m高度内数据可靠,530 nm波段在150 m高度内数据可靠.

图6为气溶胶消光系数的高度分布曲线. 图6(a)为20日21:00(能见度为2.7 km)的消光系数随高度变化曲线.在5—270 m高度内,475 nm波段消光系数从1.61 km−1减小到0.05 km−1,625 nm波段消光系数从1.30 km−1减小到0.02 km−1,530 nm波段消光系数在5—150 m高度内从1.48 km−1减小到0.11 km−1.可以看出,21:00时,气溶胶在低处浓度较高,气溶胶消光系数随高度的增加而减小.

图5 2018年3月20日至21日回波信号的RSCS (a)20日21:00;(b)21日00:00;(c)21日3:00Fig.5.RSCS on March 20–21,2018:(a)21:00 at 20;(b)00:00 at 21;(c)3:00 at 21.

图6 2018年3月20日至21日气溶胶消光系数 (a)20日21:00;(b)21日00:00;(c)21日3:00Fig.6.Aerosol extinction coefficient on March 20–21,2018:(a)21:00 at 20;(b)00:00 at 21;(c)3:00 at 21.

图6(b)所示为21日0:00(能见度为2.4 km)的消光系数随高度变化曲线.在5—300 m高度内,475 nm波段消光系数从1.81 km−1减小到0.08 km−1,625 nm波段消光系数从1.47 km−1减小到0.04 km−1,530 nm波段消光系数在5—150 m高度内从1.66 km−1减小到0.19 km−1.此时,各高度处消光系数都比21:00时有所增大.

图6(c)所示为21日3:00(能见度为2.2 km)的消光系数随高度变化曲线.在5—300 m高度内,475 nm波段消光系数从1.97 km−1减小到0.13 km−1,625 nm波段消光系数从1.61 km−1减小到0.06 km−1,530 nm波段消光系数在5—150 m高度内从1.82 km−1减小到0.21 km−1.数据表明,各高度处消光系数都比0:00时有所增大.

4.3 重度污染天观测结果与分析

2018年1月18日晚至19日凌晨(雾霾),能见度为2—3.5 km,空气质量指数AQI在205到232之间,属于重度污染天气.在夜晚20:00,23:00和凌晨2:00分别用三个波长对气溶胶进行了探测.图7为系统探测到的回波RSCS,可以看出,475和625 nm波段在300 m高度内数据可靠,530 nm波段在150 m高度内数据可靠.

图7 2018年1月18日至19日回波信号的RSCS (a)18日20:00;(b)18日23:00;(c)19日2:00Fig.7.RSCS on January 18–19,2018:(a)20:00 at 18;(b)23:00 at 18;(c)2:00 at 19.

图8 2018年1月18日至19日气溶胶消光系数 (a)18日20:00;(b)18日23:00;(c)19日2:00Fig.8.Aerosol extinction coefficient on January 18–19,2018:(a)20:00 at 18;(b)23:00 at 18;(c)2:00 at 19.

图8所示为经反演后获得的气溶胶消光系数的高度分布曲线.图8(a)为18日20:00(能见度为3.2 km)的消光系数随高度变化曲线.从图8(a)中可以看出,在5—150 m高度内,各波长气溶胶消光系数随高度的增加快速减小.在5—270 m高度内,475 nm波段消光系数从1.37 km−1减小到0.04 km−1,625 nm波段消光系数从1.09 km−1减小到0.02 km−1,530 nm波段消光系数在5—150 m高度内从1.25 km−1减小到0.11 km−1.

图8(b)所示为18日23:00(能见度为2.3 km)的消光系数随高度变化曲线.在5—300 m高度内,475 nm波段消光系数从1.88 km−1减小到0.16 km−1,625 nm波段消光系数从1.53 km−1减小到0.05 km−1,530 nm波段消光系数在5—150 m高度内从1.74 km−1减小到0.17 km−1.可以看出,23:00探测到的各波长的消光系数要比20:00探测到的消光系数大.

图8(c)所示为19日2:00(能见度为2.7 km)的消光系数随高度变化曲线.在5—300 m高度内,475 nm波段消光系数从1.61 km−1减小到0.11 km−1,625 nm波段消光系数从1.30 km−1减小到0.04 km−1,530 nm波段消光系数在5—150 m高度内从1.48 km−1减小到0.22 km−1.

从上述三天的数据可以看出,夜晚近地面气溶胶消光系数随着高度的增加而减小,尤其在150 m高度范围内,消光系数减小速度很快.轻度污染天近地面各高度的气溶胶消光系数均比中度和重度污染天要小,中度污染天的气溶胶消光系数与重度污染天相近.

5 结 论

本文设计并研制了一台多波长LED光源雷达系统,介绍了系统的组成及工作原理,该系统可以实现在三个波段(475,530和625 nm)对大气气溶胶的探测.通过对系统几何重叠因子的计算与分析,得出该LED雷达对大气近地面的探测范围下限可到60 m,可以实现近距离的大气探测.对60 m以下的RSCS进行了修正,利用能见度数据确定边界值,采用Fernald前向积分反演气溶胶消光系数的垂直分布.分别在轻度污染、中度污染和重度污染天气情况下,对西安理工大学上空的近地面低层大气气溶胶进行了垂直观测,得到了300 m高度内三个波长的气溶胶消光系数随高度的变化曲线.探测结果表明,多波长LED光源雷达是探测近地面大气气溶胶垂直分布的一种有效方法,能够弥补激光雷达在近场探测方面的不足.