本發(fā)明屬于激光主動遙感探測領(lǐng)域，具體涉及一種氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度的探測裝置，本發(fā)明還涉及該氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度的探測方法。

背景技術(shù)：

掌握大氣顆粒物質(zhì)量濃度水平，系統(tǒng)地監(jiān)測氣溶膠來源和污染物的區(qū)域傳送、明確排放的定量貢獻(xiàn)等亟待解決的關(guān)鍵問題，才能制定合理有效的重點(diǎn)防控措施。當(dāng)前對大氣顆粒物質(zhì)量濃度的檢測主要采用直接測量和間接等效測量方法，包括采樣稱重法、β射線法、TEOM顆粒物質(zhì)量監(jiān)測儀等。這些測量基本都還局限于點(diǎn)測量或者空間網(wǎng)格式分布測量。然而，受氣象條件以及其它人為因素的影響，大氣顆粒物質(zhì)量濃度空間分布變化很大，點(diǎn)測量獲得的信息不足以反映顆粒物在大氣中停留和傳輸?shù)奈锢磉^程。氣溶膠探測激光雷達(dá)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)十米至數(shù)公里范圍的氣溶膠消光系數(shù)和后向散射系數(shù)等光學(xué)特性的高時(shí)空分辨率探測。然而，在顆粒物質(zhì)量濃度的探測上，尚未有成熟的激光雷達(dá)探測技術(shù)與方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度的探測裝置，解決當(dāng)前顆粒物質(zhì)量濃度空間分布監(jiān)測技術(shù)不成熟的難題。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度的探測方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度的探測裝置，包括激光器發(fā)射多個(gè)波段的激光脈沖，依次經(jīng)由準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、反射鏡進(jìn)入大氣中，產(chǎn)生的激光散射回波信號由望遠(yuǎn)鏡接收，望遠(yuǎn)鏡通過光纖與分光系統(tǒng)連接，分光系統(tǒng)依次連接有光電探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)。

本發(fā)明所采用的另一個(gè)技術(shù)方案是，一種氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度的探測方法，具體包括以下步驟：

步驟1：激光器發(fā)射出355nm、532nm和1064nm三個(gè)波段的激光脈沖，三個(gè)波段的激光脈沖經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后，由反射鏡反射進(jìn)入大氣中；

步驟2：反射進(jìn)入大氣中的三個(gè)波段的激光脈沖與大氣中的氣溶膠顆粒物發(fā)射散射作用，產(chǎn)生的激光散射回波信號由望遠(yuǎn)鏡接收；

步驟3：由望遠(yuǎn)鏡接收的激光散射回波信號經(jīng)光纖引入分光系統(tǒng)進(jìn)行分光處理，得到355nm、532nm和1064nm三個(gè)波段的后向散射信號，分別由光電探測器進(jìn)行信號探測和光電轉(zhuǎn)換；

步驟4：經(jīng)光電轉(zhuǎn)換之后產(chǎn)生的電信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行算法處理，得到單次散射的激光雷達(dá)功率方程；

步驟5，對步驟4得到的激光雷達(dá)功率方程通過反演算法得到氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，

步驟4中單次散射的激光雷達(dá)功率方程表述為消光系數(shù)σ(z,λ)與后向散射系數(shù)β(z,λ)的函數(shù)：

式中，P(z,λ)為距離z處的瞬時(shí)接收功率，C為激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)，P₀激光發(fā)射功率，A望遠(yuǎn)鏡接收面積，Y(z)系統(tǒng)幾何重疊因子，σ(z,λ)為氣溶膠消光系數(shù)，β(z,λ)為氣溶膠后向散射系數(shù)。

步驟5具體包括以下步驟：

步驟5.1：激光雷達(dá)功率方程由Fernald反演算法分別得到355nm、532nm和1064nm三個(gè)不同波段的氣溶膠顆粒物消光系數(shù)：

式中，S₁為大氣氣溶膠的雷達(dá)比，T_m(z)表示z處的大氣分子的透射率，E表示激光雷達(dá)的發(fā)射脈沖能量；

步驟5.2：由多波段激光雷達(dá)探測到的氣溶膠消光系數(shù)和后向散射系數(shù)信息，通過粒子譜反演算法，得到氣溶膠顆粒物粒子譜的分布特征；

由米散射理論可知，氣溶膠顆粒物的消光系數(shù)與其數(shù)密度有著直接的關(guān)系，波長為λ的氣溶膠顆粒物光學(xué)參數(shù)與氣溶膠顆粒物粒子譜之間滿足第一類Fredholm積分方程：

式中，g表示光學(xué)參量，r氣溶膠顆粒物粒子半徑，m復(fù)折射率，λ波長，v(r)球形顆粒物粒子的體積分布函數(shù)，Q_β/ext(r,λ,m)是球形顆粒物粒子消光或者后向散射效率；Q_β/ext(r,λ,m)根據(jù)米散射理論計(jì)算得到，結(jié)合氣溶膠顆粒物粒子譜n(z,r)得到消光系數(shù)σ(z,λ)和后向散射系數(shù)β(z,λ)的函數(shù)表達(dá)式，

式中，Q_λ,ext(r)和Q_λ,β(r)分別為氣溶膠顆粒物消光效率和后向散射效率；

粒子體積分布函數(shù)v(r)通過加權(quán)因子W_j擬合樣條曲線的方法得到，

式中，B_j(r)為B樣條曲線，ε^math(r)為計(jì)算誤差，K為樣條函數(shù)的個(gè)數(shù)，因此通過加權(quán)因子W_j的求解獲得氣溶膠粒子譜分布；當(dāng)計(jì)算誤差ε^math(r)趨于無限小時(shí)，得到球形粒子的體積分布，為：

步驟5.3：將氣溶膠顆粒物粒子消光效率與氣溶膠顆粒物粒子譜分布特征做比值處理，得到氣溶膠顆粒物質(zhì)量消光效率(MEE)；

顆粒物質(zhì)量消光效率(MEE)表征的是對于任意給定的粒子譜分布和激光波長，單位體積內(nèi)的消光系數(shù)與顆粒物質(zhì)量濃度的比值，是粒子譜分布特性和消光效率的函數(shù)，表達(dá)式為

式中，ρ為粒子標(biāo)準(zhǔn)密度；

步驟5.4：通過氣溶膠消光系數(shù)與質(zhì)量消光效率相結(jié)合獲得顆粒物的質(zhì)量濃度，如下式所示：

式中，σ_a(z,λ)為氣溶膠消光系數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明是基于多波段激光雷達(dá)遙感探測顆粒物質(zhì)量濃度分布的新理論和新方法能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)公里范圍內(nèi)的顆粒物質(zhì)量濃度高空間分辨率探測，有效解決當(dāng)前顆粒物質(zhì)量濃度空間分布監(jiān)測技術(shù)不成熟的難題，為大氣科學(xué)研究及空間環(huán)境監(jiān)視、行政決策提供科學(xué)依據(jù)和方法論。同時(shí)，大范圍的顆粒物質(zhì)量濃度空間分布信息是探討氣溶膠輻射特性、氣候效應(yīng)和污染程度的基礎(chǔ)和前提。

本發(fā)明方法為一種對顆粒物質(zhì)量濃度進(jìn)行探測的新方法，以及提出的一種新的反演方法，與激光雷達(dá)結(jié)合運(yùn)用可成為一種對大氣中顆粒物質(zhì)量濃度探測的新設(shè)備，定標(biāo)后可以當(dāng)儀器使用，不需要輔助設(shè)備交叉測量，降低設(shè)備使用成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度的探測裝置圖；

圖2為本發(fā)明方法中氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度反演算法流程圖。

圖中，1.激光器，2.準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)，3.反射鏡，4.大氣，5.望遠(yuǎn)鏡，6.光纖，7.分光系統(tǒng)，8.光電探測器，9.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，10.計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度的探測裝置，結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括激光器1發(fā)射多個(gè)波段的激光脈沖，依次經(jīng)由準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)2、反射鏡3進(jìn)入大氣4中，產(chǎn)生的激光散射回波信號由望遠(yuǎn)鏡5接收，望遠(yuǎn)鏡5通過光纖6與分光系統(tǒng)7連接，分光系統(tǒng)7依次連接有光電探測器8、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9和計(jì)算機(jī)10。

利用上述探測裝置對氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度探測的方法，具體包括以下步驟：

步驟1：激光器1發(fā)射出355nm、532nm和1064nm三個(gè)波段的激光脈沖，三個(gè)波段的激光脈沖經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)2準(zhǔn)直擴(kuò)束后，由反射鏡3反射進(jìn)入大氣4中；

步驟2：反射進(jìn)入大氣中的三個(gè)波段的激光脈沖與大氣中的氣溶膠顆粒物發(fā)射散射作用，產(chǎn)生的激光散射回波信號由望遠(yuǎn)鏡5接收；

步驟3：由望遠(yuǎn)鏡5接收的激光散射回波信號經(jīng)光纖6引入分光系統(tǒng)7進(jìn)行分光處理，得到355nm、532nm和1064nm三個(gè)波段的后向散射信號，分別由光電探測器8進(jìn)行信號探測和光電轉(zhuǎn)換；

步驟4：經(jīng)光電轉(zhuǎn)換之后產(chǎn)生的電信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)10進(jìn)行算法處理，得到單次散射的激光雷達(dá)功率方程；單次散射的激光雷達(dá)功率方程表述為消光系數(shù)σ(z,λ)與后向散射系數(shù)β(z,λ)的函數(shù)：

式中，P(z,λ)為距離z處的瞬時(shí)接收功率，C為激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)，P₀激光發(fā)射功率，A望遠(yuǎn)鏡接收面積，Y(z)系統(tǒng)幾何重疊因子；氣溶膠消光系數(shù)σ(z,λ)與后向散射系數(shù)β(z,λ)以及它們之間的關(guān)系是描述氣溶膠光學(xué)特性的主要參數(shù)，與激光發(fā)射波長、顆粒物大小、形狀和折射率相關(guān)。

步驟5，對步驟4得到的激光雷達(dá)功率方程通過反演算法得到氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度，具體包括以下步驟：

步驟5.1：激光雷達(dá)功率方程由Fernald反演算法分別得到355nm、532nm和1064nm三個(gè)不同波段的氣溶膠顆粒物消光系數(shù)：

式中，S₁為大氣氣溶膠的雷達(dá)比，T_m(z)表示z處的大氣分子的透射率，E表示激光雷達(dá)的發(fā)射脈沖能量；

步驟5.2：由多波段激光雷達(dá)探測到的氣溶膠消光系數(shù)和后向散射系數(shù)信息，通過粒子譜反演算法，得到氣溶膠顆粒物粒子譜的分布特征；

由米散射理論可知，氣溶膠顆粒物的消光系數(shù)與其數(shù)密度有著直接的關(guān)系，波長為λ的氣溶膠顆粒物光學(xué)參數(shù)與氣溶膠顆粒物粒子譜之間滿足第一類Fredholm積分方程：

式中，g表示光學(xué)參量，r氣溶膠顆粒物粒子半徑，m復(fù)折射率，λ波長，v(r)球形顆粒物粒子的體積分布函數(shù)，Q_β/ext(r,λ,m)是球形顆粒物粒子消光或者后向散射效率；Q_β/ext(r,λ,m)根據(jù)米散射理論計(jì)算得到，結(jié)合氣溶膠顆粒物粒子譜n(z,r)得到消光系數(shù)σ_λ和后向散射系數(shù)β_λ的函數(shù)表達(dá)式，

式中，Q_λ,ext和Q_λ,β分別為氣溶膠顆粒物消光效率和后向散射效率；

粒子體積分布函數(shù)v(r)通過加權(quán)因子W_j擬合樣條曲線的方法得到，

式中，B_j(r)為B樣條曲線，ε^math(r)為計(jì)算誤差，K為樣條函數(shù)的個(gè)數(shù)，因此通過加權(quán)因子W_j的求解獲得氣溶膠粒子譜分布；當(dāng)計(jì)算誤差ε^math(r)趨于無限小時(shí)，得到球形粒子的體積分布，為：

步驟5.3：將氣溶膠顆粒物粒子消光效率與氣溶膠顆粒物粒子譜分布特征做比值處理，得到氣溶膠顆粒物質(zhì)量消光效率(MEE)；

顆粒物質(zhì)量消光效率(MEE)表征的是對于任意給定的粒子譜分布和激光波長，單位體積內(nèi)的消光系數(shù)與顆粒物質(zhì)量濃度的比值，是粒子譜分布特性和消光效率的函數(shù)，表達(dá)式為

式中，ρ為粒子標(biāo)準(zhǔn)密度；

由上式可知，計(jì)算所得的MEE與粒子譜分布情況、負(fù)折射率m、激光波長λ以及粒子半徑變化范圍[r_min，r_max]有關(guān)。

步驟5.4：通過氣溶膠消光系數(shù)與質(zhì)量消光效率相結(jié)合獲得顆粒物的質(zhì)量濃度，如下式所示：

式中，σ_a(z,λ)為氣溶膠消光系數(shù)。