激光雷达在环境空气监测中的研究

吴明胤

（安徽省生态环境监测中心，安徽 合肥 230000）

伴随社会经济发展与人民生活水平提高，人类活动对环境的影响愈发增强［1］。城市环境空气污染不仅导致大气能见度下降，同时容易引发人体的呼吸道系统疾病［2］，产生一系列社会健康问题。环境空气监测作为环境监测中的重点工作内容，通过数据的监测和分析，及时了解环境空气的现状，为改善环境质量提供基础数据支撑。现有的环境空气监测主要利用颗粒物自动监测仪和气态污染物自动监测仪等仪器对环境空气中污染物含量进行分析，缺乏空气立体监测。气溶胶作为悬浮在气体介质中的气态分散体系，主要由具有一定稳定性、沉降速度小的固状或液状小质点所形成，是大气环境中危害较大的污染物之一［3］。激光雷达设备可以监测气溶胶、大气密度、能见度的变化，并且表征空气中污染物扩散过程和沙尘天气，由于其拥有极高的分辨率和可靠性的优势，激光雷达广泛应用于环境污染所导致的大气参量探测研究中。激光雷达监测结果是对环境空气监测的有效补充，可以全面反映空气质量，对污染物解析与防控具有重要意义。本文针对大气污染的管控需求，采用合肥市生态环境局楼顶的固体式气溶胶激光雷达进行大气监测，获取一系列大气监测数据，为全面反映整体空气质量情况，预判环境变化提供有力支撑。

1 相关理论

1.1 环境空气监测

我国自二十世纪七十年代陆续建立各级环保部门，制定各种监测的标准方法。环境空气监测以手工采样和便携式设备监测为主，主要利用现场采样，然后将样品有效保存后运送到实验室进行分析。但是空气中污染物浓度随气象条件和工况条件随时在变，手工采样—实验室分析的频率低，时间代表性差，不能很好反映污染物实时的变化。二十世纪末我国引进国外大气监测设备，开始进行自动监测。现有环境空气监测自动站普遍配备2台颗粒物监测仪、气态污染物自动监测仪、气象五参数仪以及能见度仪，主要对环境空气中颗粒物含量与SO2、NOx、O3、CO含量进行24小时连续监测。

1.2 激光雷达

激光雷达是基于传统雷达并集合现代激光技术的产物。自二十世纪六十年代美国制造第一台激光雷达以来，激光雷达发展迅速，广泛应用在军事、海洋、地球科学及气象领域。传统雷达使用毫米和微米频段，只能对金属目标物有明显反射回波，对于非金属物质的回波信号较低，对于气溶胶和分子无法产生回波信号。激光雷达利用电磁波谱中的紫外、可见光及近红外波段，比毫米波和微米波段更短，对更小尺度的目标物也能有回波信号，在探测细小颗粒的方面具有独特优势，在探测距离、速度、角度上有更高的分辨率。按照激光雷达应用领域分类，激光雷达可以分为激光测距雷达、激光成像雷达、大气探测雷达、生物激光雷达和激光测速雷达。激光雷达在气象和环境监测领域有广泛的应用，可以用来监测大气气溶胶、云、雾、能见度、污染气体、温度和湿度的变化，为研究空气污染物在气溶胶中的反应和建立污染物反应模型提供理论依据。

2 大气监测激光雷达

2.1 大气监测激光雷达的原理

大气监测激光雷达的理论原理是利用激光在传播路径中的变化，是传播路径上大气分子和气溶胶的吸收和散射所引起的，与它们的浓度有关。激光与大气相互作用时，产生了许多与大气物理状态密切相关的光信息，而后向散射光中就包含了这些大气物理状态的信息，通过一定的反演方法就可以反演出大气中各种状态物理量。根据激光的探测目的以及与大气不同的作用方式，空气监测激光雷达可以分为米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼激光雷达和高光谱分辨激光雷达等。

米散射激光雷达是利用米散射机制探测大气中的尘埃、云雾等气溶胶粒子的激光雷达。米散射激光雷达接收的大气后向散射回波信号可以表示成如下，米散射激光雷达方程式为：

其中P L（z，λL）是接收到高z处大气的后向散射回波功率（W）；λL是激光波长（nm）；KL是激光雷达系统的常数（W.km3.sr）；β（z，λL）是高度z处的大气在波长λL上的后向散射系数（km-1·sr-1），β（z，λL）=βm（z，λL）+βa（z，λL），βm（z，λL）和βa（z，λL）分别是空气分子和大气气溶胶的后向散射系数；α（z，λL）是高度z处的大气在波长λL上的消光系数（km-1），α（z，λL）=αm（z，λL）+αa（z，λL）；αm（z，λL）和αa（z，λL）分别是空气分子和大气气溶胶的消光系数；z0是激光雷达所在的高度（km）。

在米散射激光雷达接收到回波信号后，使用Fernald法对回波信号进行数据处理，反演出大气中垂直方向气溶胶的后向消光系数或散射系数空间分布。

拉曼激光雷达利用米散射机制和拉曼散射机制相结合。利用双通道分别探测大气气溶胶的拉曼信号与米散射信号，获取两个独立的观测量，从而可以独立反演出大气中垂直方向气溶胶的后向消光系数或散射系数空间分布。拉曼散射激光雷达方程为：

式（2）中，PR（z，λR）是激光雷达接收的高度z处的氮气分子拉曼后向散射回波功率（W）；

KR为拉曼激光雷达系统常数（W.km3.sr）；

λL和λR分别是发射波长和拉曼散射波长（nm）；

N N2（z）是高度z处的氮气分子的数密度（cm-3）；

dσN（λL，π）/dΩ是氮气分子在波长λL上的后向拉曼散射截面（cm2sr-1）；

αm（z，λL）和αm（z，λR）分别是高度z处的空气分子在波长λL和λR上的消光系数（km-1）；αa（zz，λL）和αa（z，λR）分别是高度z处的大气气溶胶在波长λL和λR上的消光系数（km-1）；z0是激光雷达所在的高度（km）。

偏振激光雷达通过探测非球形粒子后向散射光的退偏振特性来研究粒子的形态，是一种研究卷云和沙尘气溶胶等大气非球形粒子形态的有效工具。大气中的沙尘粒子和卷云粒子都是典型的非球形粒子，当一束线偏振激光照射到这些非球形粒子时，其后向散射光将不再是线偏振光，探测其后向散射光中的垂直分量和平行分量，可以获得粒子的退偏振特性。

偏振激光雷达是利用空间不规则粒子会造成雷达信号退偏振特性，通过探测不规则粒子后向推偏信号来研究不规则粒子的形态。大气中的沙尘粒子都是典型的不规则粒子形态，探测其后向散射光中的平行分量和垂直分量，可以获得空间中粒子的退偏振特性。相比于拉曼激光雷，偏振激光雷达更适应与雨雪天气中的大气监测。它不仅能够探测气溶胶粒子后向散射光的强度信号，同时能检测出回波信号偏振态的垂直分量和平行分量，以此来获得大气气溶胶的退偏振比等参数，从而可以有效地辨别大气中气溶胶粒子的形态，进一步实现大气气溶胶的时空分布廓线，云层、城市边界层以及大气能见度等大气属性诸参数的探测［3］，在环境监测领域应用非常广泛。

高光谱分辨率激光雷达（HSRL）是一种以精细分光技术为核心的激光雷达［4］，具有较高的光谱分辨能力。在数据反演精度上，高光谱分辨率激光雷达（HSRL）是一种适用于全波段下观测的激光雷达。因为高光谱分辨率激光雷达具有的这些优点，使得其受到了很多国内外研究学者的重视与广泛应用［5］。

2.2 大气监测激光雷达的组成

大气监测激光雷达由发射系统、接收系统、探测系统和釆集控制系统组成，发射系统包括激光器、反射镜及扩束镜等；接收系统包括望远镜、分束片、滤光片等；探测系统包括光电倍增管（PMT）、雪崩二极管等（如图1所示）；釆集控制系统包括采集卡、瞬态记录仪、计算机等。激光雷达通过激光器发射激光信号，反射镜将激光信号反射入天空，激光在空中与大气成分相互作用，望远镜接收后向散射回波信号，光信号通过光电倍增管等转变成电信号，最后由采集系统转换成计算机可识别信号，并保存数据。

图1 大气监测激光雷达的组成图

2.3 大气监测激光雷达的应用

大气监测激光雷达在气溶胶以及边界层、温度、大气能见度、风廓线中均能实现精确探测，这为全球气候变化研究和气象灾害预报提供了系统、长期和稳定的监测资料，有效满足了大气环境监测工作的需要。

大气监测激光雷达可以探测气溶胶以及边界层，其通过反演气溶胶消光系数来获得大气气溶胶浓度信息［6］。近年来，全球气象问题愈发突出，这使得激光探测技术的应用不断深入到实际探测中，主要探测对象包含了大气中气溶胶、黄沙、雾霾、沙尘等诸多内容，这些内容的监测对于气象灾害预防工作开展具有较强的指导意义［7］。

大气监测激光雷达可以探测大气垂直温度和湿度分布。在温度探测中，拉曼激光雷达是较为常见的一种监测形式。利用拉曼激光雷达技术可实现对流层内大气水汽的有效探测，利用转动拉曼激光雷达技术可获得高度35 km以下大气温度的高效探测。［8］

大气监测激光雷达可以探测大气中CO2、NOx、SO2、O3、CH4等气体的垂直分布。大气监测激光雷达采用气体的特征吸收峰来对大气中的气体进行探测，其在2~12μm的红外波段都有非常典型的吸收谱带，可以客观反映污染气体含量与污染空间分布。目前主要采用差分吸收激光雷达对这些气体进行监测。

3 应用结果与分析

激光雷达可以精准探测大气污染，通过分析雷达数据能够及时发现污染现象并加以整治，具有探测性能好、时空分辨率高、可靠性高、抗有源干扰能力强、应用领域广等特点［9］。本文选取2020年10月和11月合肥市生态环境局激光雷达数据，该激光雷达通过532 nm偏振平行通道和532 nm偏振垂直通道对大气气溶胶进行监测，利用2020年10月和11月激光雷达回波数据反算出大气边界层高度，并叠加同期合肥市PM2.5颗粒物浓度数据。结果如图2所示。

图2 2020年10月、11月合肥市大气边界层高度与颗粒物浓度

（1）大气监测激光雷达数据有效补充环境空气立体监测的盲区，通过激光雷达数据的反演，可以得到边界层高度、颗粒物立体分布等信息。

（2）2020年10月合肥市每日边界层平均高度维持在0.2~1.2 km左右；11月维持在0.2~1 km。11月的边界层高度要低于10月边界层高度。PM2.5浓度偏高时边界层高度维持在0.5~0.7 km左右。过低的边界层高度基本由降雨过程产生，带来污染清除。

（3）合肥市11月边界层高度整体较10月偏低，扩散条件转差；11月PM2.5浓度也高于10月PM2.5浓度。

（4）日内边界层高度均呈现早晚低（0.55 km左右）、中午高的趋势（0.8~0.9 km），PM2.5浓度则呈现相反的变化趋势，边界层高度越高，大气湍流发展旺盛，边界层较低，可使颗粒物在近地面聚集［10］。说明边界层高度的变化对颗粒物浓度的影响较大；夜间高湿低风速及边界层高度偏低的频次高发，需要加强夜间的污染管控，错时生产经营。

（5）在日常监测中也发现大气监测激光雷达存在局限性，大气监测激光雷达数据显示合肥市10月17日边界层高度小于0.3 km，但同时PM2.5浓度偏低。这是由于当时合肥市处于雨水天气，激光束遇到雨水反射，无法有效反演当时大气数据，说明大气监测激光雷达在雨雪天气情况下无法进行有效监测。大气监测激光雷达技术有待进一步发展，以期为环境空气监测提供有力数据支撑。