環(huán)境監(jiān)測(cè)多重顆粒物激光雷達(dá)應(yīng)用研究

祖彪

摘要：指出了伴隨著中國(guó)大氣環(huán)境空氣質(zhì)量日益受到重視，僅依賴(lài)地面點(diǎn)式抽取式儀器監(jiān)測(cè)已不能滿(mǎn)足當(dāng)今監(jiān)測(cè)所需。顆粒物激光雷達(dá)基于其遠(yuǎn)距離探測(cè)能力，高時(shí)空分辨率等特點(diǎn)，正逐漸被廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)境立體監(jiān)測(cè)。結(jié)合當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的需要，顆粒物激光雷達(dá)在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面不僅僅局限于以前的固定點(diǎn)垂直對(duì)天的遙感監(jiān)測(cè)，同時(shí)也在往多角度，多監(jiān)測(cè)模式更貼近實(shí)際監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的方向發(fā)展。對(duì)顆粒物激光雷達(dá)在環(huán)境監(jiān)測(cè)多重應(yīng)用方式進(jìn)行了探討研究，以期提供參考。

關(guān)鍵詞：顆粒物;激光雷達(dá);環(huán)境;消光系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN958.981

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）10-0122-03

1引言

近年來(lái)，伴隨經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市大氣環(huán)境污染問(wèn)題也日益突出，國(guó)家及地方政府對(duì)環(huán)境污染監(jiān)測(cè)及治理高度重視，出臺(tái)了大量的相關(guān)政策、標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)，引進(jìn)了各種先進(jìn)監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，并在全國(guó)范圍內(nèi)建設(shè)了大量的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。然而大氣污染并非是一種一直滯留在某地的單一污染源，污染團(tuán)存在從一個(gè)區(qū)域向另一個(gè)區(qū)域動(dòng)態(tài)擴(kuò)散現(xiàn)象。當(dāng)前空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)只能代表某一個(gè)小片區(qū)的空氣質(zhì)量，并不能探測(cè)出污染源及污染物傳輸方向。鑒于污染團(tuán)存在空間分布差異性及區(qū)域擴(kuò)散性，僅通過(guò)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)暫無(wú)法說(shuō)清污染團(tuán)的高度分布以及它的擴(kuò)散情況。通過(guò)顆粒物激光雷達(dá)的高實(shí)效性、大空間尺度探測(cè)，可發(fā)快速現(xiàn)城市區(qū)域污染源分布情況以及不同高度層污染分布情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市區(qū)域空氣質(zhì)量的綜合立體評(píng)估。

基于激光雷達(dá)在大氣探測(cè)方面的優(yōu)越性，激光雷達(dá)立體探測(cè)技術(shù)得到快速推廣應(yīng)用。由于各個(gè)業(yè)務(wù)部門(mén)及各種現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)目的的差異性，顆粒物激光雷達(dá)立體探測(cè)方式衍生出各種差異化的應(yīng)用。本研究將重點(diǎn)介紹顆粒物激光雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的多樣性應(yīng)用。

2激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)

現(xiàn)代激光因具備實(shí)時(shí)性高、單色性佳及指向性好的特點(diǎn)，被應(yīng)用于雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域，與傳統(tǒng)雷達(dá)遙感技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)而衍生出激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)。

2.1激光雷達(dá)探測(cè)原理

通過(guò)利用接收激光雷達(dá)雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的脈沖激光與大氣中各種分子和氣溶膠等介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的輻射信號(hào)反演出大氣的相關(guān)特性。

激光雷達(dá)的脈沖激光器向空中發(fā)射一束激光脈沖，該脈沖光在大氣傳播過(guò)程中，將會(huì)不斷地與大氣中的粒子（包含大氣分子及氣溶膠）發(fā)生相互作用而產(chǎn)生散射光，此光中所含的后向散射光信號(hào)將被望遠(yuǎn)鏡接收，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器件及信號(hào)處理電路的轉(zhuǎn)換及處理后得到激光雷達(dá)探測(cè)到的大氣回波信號(hào)，再結(jié)合激光雷達(dá)方程繁衍出顆粒物。

2.2激光雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)成

激光雷達(dá)系統(tǒng)基本由4部分組成：激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號(hào)采集與處理系統(tǒng)。其中激光發(fā)射系統(tǒng)包含的核心部件有激光器及擴(kuò)束準(zhǔn)直器。激光器為雷達(dá)系統(tǒng)中的光源，其發(fā)射脈沖激光，準(zhǔn)直器一般用于對(duì)激光進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束。接收系統(tǒng)主要有望遠(yuǎn)鏡及后繼光學(xué)單元組成。望遠(yuǎn)鏡接收大氣粒子對(duì)激光的后向散射光信號(hào)。后繼光學(xué)單元將會(huì)對(duì)望遠(yuǎn)鏡所接收到的光進(jìn)行整形分光。信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的職責(zé)是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換及電信號(hào)的放大濾波。光電轉(zhuǎn)換主要由PMT或APD等探測(cè)器來(lái)完成。信號(hào)處理涵蓋對(duì)回波信號(hào)的數(shù)據(jù)反演，解析成可讀性強(qiáng)的圖譜。激光雷達(dá)利用這三大部件實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣粒子濃度、形狀等信息的解析反演。

3激光雷達(dá)多重應(yīng)用分析

伴隨大氣監(jiān)測(cè)的差異化需求，基于激光雷達(dá)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)衍生出激光雷達(dá)定點(diǎn)垂直探測(cè)、水平掃描探測(cè)、走航探測(cè)、組網(wǎng)探測(cè)等多重應(yīng)用，獲取到大氣中粒子各種分布信息。

3.1激光雷達(dá)定點(diǎn)垂直探測(cè)

此種探測(cè)應(yīng)用手段為激光雷達(dá)最早采用的技術(shù)手段。最早激光雷達(dá)安裝于監(jiān)測(cè)站房?jī)?nèi)，對(duì)房頂開(kāi)設(shè)天窗孔，激光雷達(dá)發(fā)射的脈沖激光通過(guò)天窗口垂直射向大氣，望遠(yuǎn)鏡接收垂直向下的后向散射信號(hào)，結(jié)合雷達(dá)方程繁衍出此監(jiān)測(cè)站點(diǎn)上空的大氣粒子隨時(shí)間變化，不同高度上的濃度及形狀變化情況，如圖2、3所示。

結(jié)合圖2激光雷達(dá)定點(diǎn)垂直探測(cè)532消光圖譜，可以快速獲取到此激光雷達(dá)安裝點(diǎn)位上空2018年3月27日0：00～15：00時(shí)段3.5km內(nèi)不同高度的顆粒物消光數(shù)據(jù)，進(jìn)而掌握不同高度的顆粒物的濃度分布情況。同時(shí)，結(jié)合圖3激光雷達(dá)定點(diǎn)垂直探測(cè)532退偏振比圖譜，可以獲取到2018年3月27日0：00～15：00時(shí)段3.5km內(nèi)不同高度的顆粒物退偏振比數(shù)據(jù)，進(jìn)而掌握不同高度的顆粒物的形狀特征。

3.2激光雷達(dá)水平掃描探測(cè)

對(duì)于中底層大氣的污染傳輸團(tuán)，可以通過(guò)激光雷達(dá)定點(diǎn)垂直探測(cè)方式來(lái)捕捉。但對(duì)于當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求來(lái)看，對(duì)于城區(qū)污染水平分布的掌握更為急迫。通過(guò)獲取污染源的具體地理位置分布，環(huán)保部門(mén)能夠?yàn)楫?dāng)?shù)卣畬?duì)污染源的管控提供有力數(shù)據(jù)支撐。將水平掃描監(jiān)測(cè)與GIS結(jié)合，可將激光雷達(dá)掃描結(jié)果實(shí)時(shí)直觀呈現(xiàn)給用戶(hù)，讓用戶(hù)快速確認(rèn)污染及污染源地理位置，如圖4所示。

圖4為激光雷達(dá)水平掃描探測(cè)消光圖譜，圖譜中將污染點(diǎn)源及污染傳輸帶分布直觀的呈現(xiàn)在GIS地圖上。消光系數(shù)δhom與p（PM10）存在一定關(guān)系，結(jié)合胡歡陵等在北京實(shí)測(cè)分析結(jié)果，得到兩者關(guān)系式為PM10=AδBhom，其中A=322.38，B=0.91。因此由圖4消光圖譜的顏色深淺，可以確認(rèn)出此污染點(diǎn)源在整個(gè)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)污染濃度最大。通過(guò)對(duì)此圖譜進(jìn)行稍加解讀即可獲取到污染源及污染帶的地理位置，環(huán)保部門(mén)再結(jié)合實(shí)地考證，即可確認(rèn)排放源的類(lèi)型。

3.3激光雷達(dá)走航探測(cè)

將激光雷達(dá)立體監(jiān)測(cè)技術(shù)與監(jiān)測(cè)車(chē)結(jié)合（將此監(jiān)測(cè)技術(shù)移植至車(chē)上），實(shí)現(xiàn)移動(dòng)走航監(jiān)測(cè)。通過(guò)利用車(chē)的機(jī)動(dòng)靈活性，以及激光雷達(dá)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性，并結(jié)合3維GIS地圖，再結(jié)合風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠污染來(lái)源的快速追蹤監(jiān)測(cè)。

結(jié)合圖5走航探測(cè)消光圖譜，通過(guò)走航探測(cè)，可以掌握不同城區(qū)間污染濃度狀態(tài)。從圖5可以看出地圖東南角的城區(qū)污染相比西北角的郊區(qū)污染明顯重很多，且伴隨由東向西行駛，污染濃度在主機(jī)按降低。可以看出污染主要集中在近地面位置，主要受人的生產(chǎn)生活帶來(lái)的排放影響。

3.4激光雷達(dá)組網(wǎng)探測(cè)

近些年來(lái)，為了適應(yīng)全球氣候和環(huán)境變化研究，獲取大氣成分空間分布和時(shí)間演變資料，國(guó)際上已陸續(xù)建立了一些探測(cè)大氣成分物理化學(xué)性質(zhì)的激光雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)，比較重要的有歐洲氣溶膠研究激光雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)、全球大氣成分變化探測(cè)網(wǎng)以及獨(dú)聯(lián)體激光雷達(dá)網(wǎng)等。這些雷達(dá)網(wǎng)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)及反演方法上進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)范，保證了大氣成分探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的有效性及可比性。

伴隨大氣立體監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速推廣應(yīng)用，我國(guó)在各地布設(shè)的垂直探測(cè)雷達(dá)越來(lái)越多，國(guó)家也逐步在開(kāi)展相關(guān)激光雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在建立激光雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范后，將全國(guó)各地的激光雷達(dá)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)，最終形成我國(guó)的激光雷達(dá)立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)，可以對(duì)污染團(tuán)及沙團(tuán)的傳輸路徑、時(shí)間相位以及沉降的特征進(jìn)行監(jiān)控，并及時(shí)預(yù)警。

4結(jié)語(yǔ)

顆粒物激光雷達(dá)立體監(jiān)測(cè)技術(shù)正得到廣泛實(shí)際應(yīng)用。伴隨環(huán)境氣象監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的需要，顆粒物激光雷達(dá)的應(yīng)用方式也逐漸多元化。激光雷達(dá)定點(diǎn)垂直探測(cè)、水平掃描探測(cè)、走航探測(cè)、組網(wǎng)探測(cè)等這類(lèi)的多重應(yīng)用為大氣監(jiān)測(cè)提供了更為豐富的數(shù)據(jù)源，同時(shí)也大大拓寬了現(xiàn)階段監(jiān)測(cè)技術(shù)所探索的空間領(lǐng)域。伴隨我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，這種大尺度的探測(cè)技術(shù)也將逐步成熟規(guī)范，為我國(guó)的大氣監(jiān)測(cè)提供更為有力的數(shù)據(jù)支撐。

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