氣溶膠激光在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用研究

沈陽綠恒環(huán)境咨詢有限公司 魏驥

隨著我國政府對生態(tài)環(huán)境重視程度的加強,我國大多數(shù)地區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量也已得到了明顯的改善,細微顆粒（PM2.5）在空氣中的含量也呈現(xiàn)出衰減的趨勢。根據(jù)我國相關(guān)部門發(fā)布的報告分析,直至2021年年底,我國城市的細微顆粒年均含量已衰減至每立方米三十六微克，但是從局部情況看來,我國僅有半數(shù)的城市的空氣質(zhì)量達到合格標準[1]。我國東北地區(qū)的多數(shù)城市細微顆粒物污染情況仍然非常嚴峻。由此得知,在今后一定時期內(nèi)空氣細微顆粒的防治仍是我國大氣污染防治的重點。

傳統(tǒng)的自動檢測設(shè)備，可以對空氣中的細微顆粒含量進行較為準確的探測，但是傳統(tǒng)的自動檢測設(shè)備在對高空中的細微顆粒含量進行探測時便存在明顯的不足。因此將新型技術(shù)應(yīng)用到高空細微顆粒檢測過程當中非常重要，而激光雷達技術(shù)的發(fā)展在一定程度上解決了此類問題，激光雷達技術(shù)可以很好地對高空空氣含量進行精確的監(jiān)測，因此激光雷達技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到了大氣環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域[2]。氣溶膠激光雷達可通過垂直掃描獲取近地面至對流層的氣溶膠消光垂直廓線,并根據(jù)接收到的信號信息進行反演,以此確定當?shù)氐拇髿猸h(huán)境質(zhì)量以及空氣中各種粒子的含量,并對這些粒子進行相關(guān)的分析,從而為我國大氣環(huán)境治理提供相應(yīng)的幫助[3]。

一、激光雷達技術(shù)概況

（一）激光雷達組成原理

激光雷達，是近代激光技術(shù)得到快速發(fā)展后的產(chǎn)物,將先進的激光技術(shù)與當前的雷達技術(shù)進行結(jié)合,從而可以把二個技術(shù)的優(yōu)點完美的融合到了一起,并以此提升雷達技術(shù)的準確度[4]。激光雷達在完成距離和位移檢測任務(wù)時,主要利用的原理是由激光的波形反射速度來實現(xiàn)的,通過激光波形的反射速度和位移來對目標物體的位移速度和距離做出識別。但現(xiàn)階段,激光雷達技術(shù)在測量領(lǐng)域具有非常大的優(yōu)勢。

（二）激光雷達的基本特征

激光雷達系統(tǒng)主要的工作波段為紅外線和可見光。激光雷達利用激光器可以很好地實現(xiàn)脈沖的光電轉(zhuǎn)換,并在最后將其轉(zhuǎn)換為電脈沖波,光電脈沖波的轉(zhuǎn)換是激光雷達最大的優(yōu)點。在經(jīng)過此過程之后,激光雷達的測量精確度會得到顯著的提高。我們根據(jù)激光雷達的工作過程可以發(fā)現(xiàn),激光雷達是基于傳統(tǒng)雷達之上的一種新型的雷達技術(shù),并且其相對于傳統(tǒng)的雷達而言,具有更高的精確度[5]。相較于傳統(tǒng)的測量技術(shù),激光雷達在進行測量時可以更好地反應(yīng)目標的距離、位置與角度,這些信息的準確性對于最終的測量結(jié)果有著非常大影響,因此激光雷達技術(shù)擁有著更高的準確性。近些年,隨著相關(guān)科研人員對激光雷達研究的不斷深入,激光雷達的種類也越來越多,激光雷達的多樣性也使得激光雷達的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。

（三）激光雷達的類型

激光雷達，可以根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域的不同以及其組成結(jié)構(gòu)的不同分為多種類型。根據(jù)雷達發(fā)射器所使用的發(fā)射物質(zhì)類型可以將其分為氣體、半導體、固體激光雷達[6]。較為常見的氣體激光雷達為二氧化碳激光雷達,這種雷達的發(fā)射原料較為常見,并且其發(fā)射的波段為紅外線波段,與此同時二氧化碳激光雷達的探測間距較遠，非常適合將其運用到大氣環(huán)境監(jiān)測當中。半導體激光雷達一般會運用到云層的監(jiān)測當中,因此多數(shù)的半導體激光雷達的尺寸都比較小,并且其價格也非常的實惠,氣溶膠激光雷達則是半導體激光雷達中的一種,氣溶膠激光雷達可以對特定區(qū)域內(nèi)的空氣含量已經(jīng)空氣中的氣溶膠信息進行分析,從而推測當?shù)氐目諝赓|(zhì)量。固體激光雷達主要應(yīng)用在大氣污染物監(jiān)測和風速、溫度、濕度等監(jiān)測當中。

二、激光雷達技術(shù)的發(fā)展

（一）激光雷達技術(shù)的發(fā)展

激光雷達技術(shù)是在20世紀60年代才出現(xiàn)的,因此激光雷達技術(shù)的發(fā)展歷程只有六十年的時間,在這六十年間,激光雷達技術(shù)由出現(xiàn)到現(xiàn)在的取得較高的成就,可在多個領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用,其整個發(fā)展歷程是非常艱難的。第一臺激光雷達是由美國的一家公司研制的,具體用于靶場測試,緊接著比較著名的是用于人造衛(wèi)星的測距機,隨后又將目光放到新型的激光雷達研發(fā)當中。在此期間,該公司不僅在進行二氧化碳激光雷達的研發(fā),還對單脈沖激光雷達的制作理論進行了相關(guān)的實踐。在激光雷達出現(xiàn)至今的六十多年時間內(nèi),激光雷達的類型越來越多,同時可以應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛,但是直到1994年LITE的出現(xiàn),激光雷達才開始應(yīng)用到大氣環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域上。

目前已知的經(jīng)常用于大氣監(jiān)測的雷達分為固定式激光雷達和可移動式激光雷達。在我國可移動式激光雷達，多數(shù)是由特定車輛進行裝載從而達到雷達可移動的目的。而在一些發(fā)達國家中,固定式激光雷達已經(jīng)逐漸被淘汰，這些國家已全面采用可移動式激光雷達來進行大氣環(huán)境監(jiān)測工作。截止到今天為止,我國在大氣環(huán)境監(jiān)測方面對激光雷達技術(shù)的研究也有三十年之久,在這三十年的時間內(nèi),我國的激光雷達技術(shù)也同樣取得了非常大的進展。我國中科院在該方面的研究成果尤其突出,多數(shù)的研究結(jié)果都得到了國際各國研究人員的認可,并且中科院也成功研制出了我國第一臺激光雷達。隨后中科院又研制出多個領(lǐng)域的激光雷達,其中UV-DIAL差分激光雷達是我國的第一臺用于觀測平流大氣層與臭氧層的系統(tǒng)。

（二）大氣環(huán)境激光雷達的發(fā)展

在1991年我國中科院的安徽光機所成功建造了L625激光雷達系統(tǒng),該系統(tǒng)是我國最大的可以觀測大氣氣溶膠以及臭氧分布的激光雷達系統(tǒng)。此系統(tǒng)的出現(xiàn)為我國的激光雷達系統(tǒng)的研究提供了更多的可能,同時L625激光雷達系列也獲得了國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的青睞,并將其運用于越來越廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。不久以后,該研究院又成功建立了L三百型可移動式激光雷達系統(tǒng),這也是中國首個具有在對流層進行氣溶膠系數(shù)、云、大氣辨識度研究能力的散輻激光雷達體系。YAG激光雷達等等新的研究成果,對中國的大氣環(huán)境激光雷達的監(jiān)測研究邁出了一大步,并立足于國際領(lǐng)域中,已得到了世界高度的關(guān)注。

三、氣溶膠激光雷達在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

在對大氣環(huán)境進行監(jiān)測分析的過程中,氣溶膠激光雷達具有其他激光雷達所不能比擬的優(yōu)勢。根據(jù)我國當前的研究形式,氣溶膠激光雷達不僅可以對氣溶膠邊界和分布進行測量研究,還可以對溫度、大氣可見度等進行相關(guān)的測量與研究。

（一）探測氣溶膠以及邊界層

氣溶膠可以對太陽輻射進行很好地吸收與反彈,這會對全球的氣候造成非常大的影響。氣溶膠邊界層主要是指大氣層的邊界。當前我國的大氣環(huán)境監(jiān)測工作已能實現(xiàn)氣溶膠和邊界層的監(jiān)測與分析,從而完成對全球氣候變化的準確預(yù)測。從激光雷達的運行原理表明,激光雷達在進行工作時會發(fā)射相應(yīng)的激光信號,而這些激光信號在觸碰到邊界層的物質(zhì)時就會產(chǎn)生反射,而接收器在接收到這些反射信號之后就會對其進行相關(guān)的分析,根據(jù)分析結(jié)果便可以對空氣中的微觀粒子的擴散信息以及傳輸模式進行預(yù)測,從而對特定區(qū)域的大氣環(huán)境質(zhì)量作出判斷。近些年,世界各國都出現(xiàn)了嚴重的大氣環(huán)境問題,頻繁的大氣環(huán)境問題使得各國的研究人員不得不加強對大氣環(huán)境的監(jiān)測,這也讓激光雷達在大氣環(huán)境中的應(yīng)用越來越深入,在具體的大氣環(huán)境監(jiān)測過程中,氣溶膠激光雷達可以對大氣中的氣溶膠、黃沙、霧霾等內(nèi)容進行非常準確的測量,這些測量信息，對預(yù)防大氣災(zāi)害有著非常重要的作用。在我國的一些地區(qū),相關(guān)大氣監(jiān)測部門就該情況已經(jīng)建立了較為完善的雷達監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),雷達監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可以對當?shù)氐臍馊苣z以及邊界層進行全方位的實時監(jiān)測,有效地提高了我國大氣環(huán)境監(jiān)測的效果。

（二）探測溫度

溫度作為大氣質(zhì)量的一個重要指標,對其進行探測對于我國大氣環(huán)境的監(jiān)測與氣象災(zāi)害的預(yù)測有著非常重要的作用。因此當前世界各地對于大氣溫度的探測都非常重視,而溫度情況也已經(jīng)成為了氣象預(yù)告中不可缺少的環(huán)節(jié)。在對溫度進行探測時,氣溶膠激光雷達的應(yīng)用，為我國的溫度探測功能提供了非常大的便利性,并且氣溶膠激光雷達的應(yīng)用還顯著地提高了我國大氣溫度探測的準確性。在利用氣溶膠激光雷達進行溫度探測時,瑞利散射是最為常見的溫度探測方式。瑞利散射,氣溶膠激光雷達通過利用全反射鏡講激光筆直的射入空氣當中,通過空氣中氣溶膠的變化情況來對空氣溫度進行測量。但是瑞利散射在低空中的測量精確度還有待提升,因為低空中空氣中所蘊含的氣溶膠含量較高,而較高的氣溶膠含量會在一定程度上影響到大氣溫度的探測。

（三）探測大氣可見度

大氣能見度探測，也是氣溶膠激光雷達在大氣環(huán)境監(jiān)測中的主要功能之一。在具體的探測過程中,氣溶膠激光雷達有著非常顯著的優(yōu)勢。激光雷達作為近年來才出現(xiàn)的大氣探測手段,其利用激光的反射與雷達的捕捉能力可以更好地將大氣具體環(huán)境進行有效的分析,從而根據(jù)分析結(jié)果來對大氣可見度進行準確的判定。較為精準的大氣可見度分析對于人們?nèi)粘５某鲂惺欠浅Ｓ欣?。大氣可見度是大氣透明度的反?yīng),因此大氣可見度會在一定程度受到天氣情況的影響,而傳統(tǒng)的大氣可見度探測方式也會在一定程度上受到天氣的影響。因此在對大氣可見度進行探測時,利用激光雷達技術(shù)，可以極大地降低天氣變化對探測精確度產(chǎn)生的影響,從而可有效地提高探測精度。

（四）探測風廓線

相關(guān)工作人員在進行與風相關(guān)的探測時,主要探測的內(nèi)容是風速以及風向,但是在對風速和風向進行相關(guān)探測時,并不能取得較為明顯的成果。而在將激光雷達技術(shù)應(yīng)用到該領(lǐng)域之后,在對當?shù)仫L速、風向和風力進行相關(guān)探測時便可以進行更加全面且嚴密的研究。傳統(tǒng)的風向、風速探測工作極易受到空氣湍流的影響,如若探測地區(qū)出現(xiàn)空氣湍流,風速、風向的探測結(jié)果就會出現(xiàn)嚴重的偏差,這不僅會對當?shù)鼐用竦娜粘３鲂挟a(chǎn)生影響,還會在一定程度上影響到當?shù)馗鞣N工作的開展與進行,進而影響到我國的國民經(jīng)濟發(fā)展。將全新的氣溶膠激光雷達技術(shù)應(yīng)用到風廓線探測過程當中,就會在很大程度上解決此問題,同時在最大程度上減少空氣湍流產(chǎn)生的影響,從而得出更加準確的風速、風向探測結(jié)果。在具體的探測過程當中,不同天氣情況產(chǎn)生的空氣湍流會對雷達波的頻率產(chǎn)生不同的影響,受到風速、風力等因素的影響,風廓線也會產(chǎn)生一定的變化。此時就需要利用激光雷達的特性來避免這些因素的影響。在遇到空氣湍流時,激光雷達可以實現(xiàn)不同高度的空氣湍流測量,相關(guān)部門可以通過對這些不同的測量信息進行分析,從而得出更加準確的測量結(jié)果。在我國的北方地區(qū),由于天氣環(huán)境變化較為復雜,傳統(tǒng)的大氣測量模式無法對當?shù)氐拇髿馇闆r進行較為準確的實時測量,而利用激光雷達技術(shù)對當?shù)氐娘L廓線進行探測之后便可以有效地對當?shù)氐奶鞖庾兓闆r進行預(yù)測?？筛鶕?jù)不同的天氣采取不同的措施,從而有效地提高大氣環(huán)境監(jiān)測的質(zhì)量與實效性。

四、激光雷達在大氣環(huán)境監(jiān)測中的存在的問題及改進措施

（一）激光雷達在大氣環(huán)境監(jiān)測中存在的問題

激光雷達技術(shù)作為近些年，出現(xiàn)的新型大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù),其本質(zhì)上還屬于一種遙感工具,但與傳統(tǒng)的遙感工具不同的是,激光雷達在探測跨度、空間辨識度已經(jīng)測量精度方面都有著屬于其自身的優(yōu)勢這些優(yōu)勢讓激光雷達技術(shù)得以在不同的領(lǐng)域中都發(fā)揮著非常大的作用。但是在將激光雷達技術(shù)應(yīng)用到具體的監(jiān)測工作中后我們得知,激光雷達技術(shù)也還存在著一定的問題。最主要的問題是無論是哪種類型的激光雷達,在進行大氣環(huán)境監(jiān)測時都需要發(fā)射激光,而激光在傳播的過程中會受到不同因素的影響,因此激光雷達的探測精確度并無法達到理論精度。另外,如果探測地區(qū)出現(xiàn)較為極端的天氣情況之后,激光雷達在進行實地作業(yè)時的難度也會有所增加,這也在一定程度上限制了激光雷達技術(shù)在大氣環(huán)境測量過程中的應(yīng)用。

（二）激光雷達在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用改進

針對激光雷達在大氣環(huán)境監(jiān)測中存在的問題,我們需要從三個方面入手來對其進行具體的應(yīng)用改進。一是需要對激光雷達的各項組成部分進行相應(yīng)的升級創(chuàng)新,對激光雷達進行更加全面的升級,并以此提高激光雷達的應(yīng)用范圍。二是對激光雷達的各項功能進行更加有效的開發(fā),提高激光雷達的各項探測能力,加強其對不同工作環(huán)境的適應(yīng)能力。三是建設(shè)更大面積的激光雷達網(wǎng)絡(luò),其降低單個激光雷達的探測范圍,提高激光雷達的探測精度,從而滿足不同的大氣環(huán)境監(jiān)測要求。

五、總結(jié)

自激光雷達技術(shù)出現(xiàn)以來,其在大氣環(huán)境監(jiān)領(lǐng)域發(fā)揮的作用越來越大,雖然現(xiàn)階段的激光雷達技術(shù)，已經(jīng)可以基本滿足不同的大氣環(huán)境監(jiān)測要求。但隨著各國對大氣環(huán)境監(jiān)測要求的不斷提高,激光雷達監(jiān)測技術(shù)也需要進行相應(yīng)的創(chuàng)新升級，來進一步提高大氣環(huán)境監(jiān)測的精確度以及適應(yīng)性。在確保大氣環(huán)境監(jiān)測精確度的同時，也要提高激光雷達的使用效率以及氣象預(yù)測能力,以便為大氣污染防治提供更加準確的科技支撐。