基于激光雷達走航車的大氣污染物探測技術及其應用

朱 余，陶宗明，張 帥，施奇兵

1.安徽省環境監測中心站，安徽 合肥 230031 2.解放軍陸軍炮兵防空兵學院基礎部物理教研室, 安徽 合肥 230031 3.合肥光博量子科技有限公司，安徽 合肥 230031

大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中的直徑在0.001～100 μm的液體或固體顆粒物，它是大氣污染物的主要成分，是城市光化學煙霧的重要來源，對人體的健康環境和全球氣候都有一定的影響[1]。近年來中國主要城市的顆粒物污染狀況得到一定遏制，但顆粒物濃度仍然較高[2-3]。要科學、有效防治大氣污染，精準探測大氣污染物的立體時空分布是基礎。PM2.5監測儀只能探測所在位置的污染情況，不能進行遙控探測。衛星中搭載主動和被動儀器(如MODIS和CALIOP等)，可對全球氣溶膠進行主被動觀測，它們的優點是探測范圍廣，可實現全球探測，但也存在一定的局限性(如MODIS產品的空間分辨率不夠高，CALIOP數據的信噪比不夠好等)。

激光自20世紀60年代被發明以來，很快被應用到大氣探測中，激光雷達以精細的時間、空間和光譜分辨率，大的垂直跨度和高的探測精度吸引了各國科學家與工程技術人員的密切關注。近些年來隨著激光技術、光學機械加工技術、信號探測與采集技術的不斷提高和新的探測原理與方法的不斷涌現，激光雷達取得了長足的技術進步，并在大氣、海洋及空間等領域得到了愈來愈廣泛的應用[4-7],其探測平臺也由地基探測發展為機載和星載。氣溶膠激光雷達的探測技術也由原來的米散射探測[8]發展為拉曼探測[9]和高分辨率光譜探測[10]。激光雷達已成為探測大氣氣溶膠的強有力工具。

把激光雷達裝在汽車上，可以實現地面上的移動探測，適合對城市進行大氣污染監測。早期的車載激光雷達中汽車僅是運輸工具，汽車把激光雷達從一地運輸到另一地，汽車停下后激光雷達開始探測[11]。隨著技術的進步，現階段的車載激光雷達是走航式工作，即邊走動邊探測[12-13]，同時還可以進行掃描探測[14]。

筆者以激光雷達走航車為例，分析了激光雷達走航式探測污染物的原理，對該車在合肥、蕪湖等地的探測實例進行分析。結果表明，激光雷達走航式探測技術在大氣污染物立體探測方面具有重要的應用價值。

1 走航車主要儀器簡介

激光雷達走航車實物如圖1所示，主要儀器有氣溶膠激光雷達和測風激光雷達等。工作方式主要有定點豎直探測、定點掃描探測和走航式豎直探測等。氣溶膠激光雷達是車載的主要儀器，筆者對它進行較詳細的介紹，而簡要介紹測風激光雷達。氣溶膠激光雷達的工作原理如圖2所示，主要由激光器、望遠鏡、光電探測器、采集卡、掃描頭和工控計算機等部分組成，其各部分的技術參數如表1所示。

圖1 激光雷達走航車外觀Fig.1 The photograph of lidar navigation vehicle

圖2 氣溶膠激光雷達原理Fig.2 The schematic diagram of aerosol lidar

表1 氣溶膠激光雷達主要技術參數Table 1 Specifications of aerosol lidar

測風激光雷達是利用激光干涉原理和多普勒效應來探測大氣中不同高度水平的風速，相關探測原理較繁，詳見參考文獻[15]。

2 走航車探測原理

激光雷達探測的數據由激光雷達方程來描述。

(1)

式中：P(z)為激光雷達接收距離z處的大氣后向散射回波信號，C為系統常數，η(z)為系統幾何因子，α1(z)和β1(z)分別為距離z處大氣氣溶膠的消光系數和后向散射系數，α2(z)和β2(z)分別為距離z處大氣分子的消光系數和后向散射系數。

對于系統的幾何因子η(z)，采用CCD來探測和修正處理[16]。經幾何因子修正后的激光雷達信號可變為距離修正信號，后面的分析都是基于距離修正信號進行的。

(2)

2.1 污染物源搜尋

為了方便快捷搜尋污染物源，對激光雷達探測數據采用了定性與定量相結合的處理方法。在尋找污染物源距離(或位置)時，進行定量處理，獲得精確的距離數值；在污染物源排放強度方面是定性處理，獲得污染物的相對強度。

(3)

式中：α2(0)和β2(0)分別為地面上大氣分子模式的消光系數和后向散射系數。

大氣透過率項隨著距離增加而單調衰減， 而氣溶膠后向散射系項隨距離變化情況是由z處污染物多少決定的。因為氣溶膠的后向散射系數與污染濃度成正相關關系，若大氣污染物在探測路徑上是均勻分布的，則后向散射系數項就是常數，那么X(z)也是隨距離增加單調變小；假設大氣污染物在探測路徑上不均勻分布，則氣溶膠后向散射系數在探測路徑上也是不均勻的，如圖3(a)所示。由圖3(a)污染物的后向散射系數分布，根據激光雷達方程(3)，正演出激光雷達的距離修正信號，結果如圖3(b)所示。可以看出：X(z)在隨距離增加總體變小的趨勢下，會出多個峰值，峰值的位置(定量的、精確的)對應于污染物多的地方，峰值的大小(定性的、相對的)對應于污染物排放強度的大小。

圖3 假設的探測路徑上污染物后向散射系數和對應的激光雷達距離修正信號Fig.3 The assumptive pollutant backscattering coefficient in laser direction and the corresponding range-corrected lidar simulation signal

2.2 氣溶膠消光系數的反演

當激光雷達垂直工作時(定點或走航工作方式)，大氣分子的后向散射系數和消光系數由大氣分子的模式來得到，激光雷達常數可由對流層附近的清潔點來消除。

再假設氣溶膠的消光后向散射比(S1)為常數，則由Fernald方法，可得氣溶膠的消光系數表達式[17]。

(4)

(5)

式中：zc為氣溶膠清潔點的高度。

2.3 PM2.5質量濃度的反演

PM2.5是指粒徑小于2.5 μm的氣溶膠粒子總稱，而氣溶膠消光系數(或后向散射系數)是所有氣溶膠分子貢獻，但它們之間有一定的聯系[18]。

α1(z)=K·CPM2.5(z)

(6)

式中：α1(z)是氣溶膠消光系數，CPM2.5(z)是PM2.5質量濃度，K是比例系數。比例系數K是由氣溶膠的種類、折射率指數、譜分布、大氣相對濕度等諸參數決定的常數。在近地面的邊界層內，由于湍流的混合作用，可合理地認為氣溶膠的折射率指數是相同的，氣溶膠粒子的譜分布特征也是相同的。忽略不同高度上大氣相對濕度的區別，可認為比例系數K在不同高度上是相同的，即是與高度無關的常數。因此，利用公式(5)，實現了氣溶膠的消光系數廓線向PM2.5質量濃度廓線的轉化。

2.4 城市區域污染物PM2.5輸送估算

為了便于介紹污染物PM2.5輸送，仿照水或電量分別通過河流或導體時的流動描述，定義污染物PM2.5在大氣中傳輸的3個物理量：PM2.5傳輸密度、PM2.5柱狀傳輸通量和PM2.5傳輸通量，它們的定義分別為PM2.5傳輸密度是指單位時間在垂直于風速方向單位面積上傳輸PM2.5的質量，根據此定義有

E(z)=v(z)·CPM2.5(z)

(7)

式中：E(z)為PM2.5傳輸密度，v(z)是風速，單位為μg/(m2·s)。

PM2.5柱狀傳輸通量是指在所有高度方向上單位時間單位水平長度傳輸的PM2.5質量，根據此定義有

(8)

式中：φ為柱狀傳輸通量，單位為μg/(m·s)。

PM2.5傳輸通量是指單位時間內穿過一定面積(l和Z分別代表垂直于風速方向的水平距離和垂直高度)的PM2.5質量，根據此定義有

(9)

式中：Φ為傳輸通量，單位為μg/s。

定義了以上3個污染物PM2.5輸送概念后，估算污染物輸送通量的思路為走航車垂直工作，由公式(6)直接獲得豎直方向不同高度的污染物PM2.5濃度；結合風雷達的數據，由公式(7)和公式(8)獲得污染物PM2.5在不同高度上的傳輸密度及整個高度上的污染物柱狀傳輸通量；走航車邊走邊測，由公式(9)就可估算總的傳輸通量。

對于一個城市區域而言，其大氣污染物的來源可分為自主產生的(包括降解)和外來輸送的2種情況，這2種情況往往是同時存在的，只不過所占的比例可能隨時在變化。城市污染物PM2.5估算模型的條件：①忽略城市污染物的產生和降解；②污染物PM2.5僅在對流層內；③依照風速的方向，把城市簡化成一個立方體的空間，AB為城市的橫向邊界，AD為城市的縱向邊界，豎直邊界為對流層頂，其俯視的二維模型如圖4所示。

圖4 城市污染物輸送二維模型Fig.4 The 2-dimension model of urban pollutant transport

污染物PM2.5從城市的上風口AB邊輸入城市，從下風口DC邊輸出城市，兩者之差就是外界對城市PM2.5的凈輸送。

設激光雷達分別探測得上風口AB邊的風速高度廓線為vAB(z)和下風口DC邊風速廓線為vDC(z)，PM2.5濃度高度廓線分別為CPM2.5-AB(z)和CPM2.5-DC(z)，AB邊的長度為l。則單位時間內，從AB邊輸入到城市的PM2.5總量為

圖5 繞城走航氣溶膠消光系數三維圖Fig.5 The 3-dimension aerosol extinction coefficient measured by mobile lidar around city

(9)

從DC邊輸出的PM2.5總量為

(10)

式中：zt為對流層頂，x是AB邊和DC邊方向上的坐標。

單位時間內對城市輸送PM2.5的凈量為

Mpure=Minput-Moutput

(11)

3 走航車探測個例

激光雷達走航車系統研制成功后，先后在合肥、蕪湖等市進行了車載走航和定點掃描探測實驗，下面選取3個典型探測個例進行介紹。

3.1 氣溶膠時空分布走航探測

行駛的車輛、建筑工地以及工廠等都是排放污染的源頭，再加上外界污染物的輸送，城市中氣溶膠的時空分布隨時隨地都在變化。車載激光雷達走航探測，是觀測氣溶膠時空分布最方便快捷的工具。

2018年11月21日00:00—21:00，合肥市受西北方污染傳輸影響，疊加本地污染排放及顆粒物的二次轉化過程，經歷了一次輕度污染到重度污染的過程。車載激光雷達于21日14:18從高新區高速入口沿合肥繞城高速公路一周進行逆時針走航觀測，先后經過包河區繞城南段、肥東縣繞城東段、廬陽區繞城北段，至15:47回到起點高新區高速入口。根據公式(4)和公式(5)，反演出走航路徑上的氣溶膠消光系數的空間分布，如圖5所示。為了便于觀看，把三維立體圖轉化為圖6的二維平面圖。

圖6 繞城走航氣溶膠消光系數二維圖Fig.6 The 2-dimension aerosol extinction coefficient measured by mobile lidar around city

從圖5和圖6 中可以清楚地看出，繞城高速路徑上氣溶膠分布是不均勻的，西邊和北邊的污染物較南邊和東邊多。結合車載上的風雷達可知，走航時間段為西北風，污染物是由西北邊輸送過來的。

3.2 污染源的掃描搜尋

激光雷達掃描方式探測的主要目的是尋找污染物源頭。在微風或無風的天氣情況下，污染源排放的污染物主要是向上擴散，水平方向擴散較慢。故在污染源的上空就會形成污染物聚積，激光雷達探測到污染源上方時雷達信號會突然增強。根據回波信號的這一特征，利用公式(3)，就可定量判斷污染源的距離(位置)以及污染源的相對排放強度。

2019年3月26日15：17開始，車載激光雷達在蕪湖市無為縣的比亞迪大橋上對周圍進行水平掃描探測，結果如圖7所示，中心陰影區為車載激光雷達所在地。圖7中，在地圖上疊加由公式(3)處理過的激光雷達距離修正信號，用顏色棒表示信號的相對強度。激光雷達掃描一周后，根據公式(3)利用激光雷達回波的顏色差異，找到了4處激光雷達回波信號強的地方，它們距車載激光雷達所在地的距離分別為4.545、4.905、6.187、1.275 km。經實時實地考察后，獲取了這4處回波信號強處近距離照片(圖7)，發現它們正在產生污染，的確是污染物源。根據地圖比例尺估算出它們到激光雷達所在地的距離，分別是比亞迪大橋附近的工地揚塵(約4.54 km)，郭村附近開墾荒地(約4.91 km)，無為縣基督教堂附近揚塵(約6.18 km)和南壩村附近開墾荒地(約1.27 km)，激光雷達探測到的距離與從地圖上估算的距離一致性很好。

圖7 車載激光雷達水平掃描結果Fig.7 The horizontal scanning result by mobile lidar

3.3 PM2.5輸送估算探測

把氣溶膠激光雷達垂直探測和風雷達垂直探測的探測結果融合在一起，就可以估算污染物的輸送情況。2018年3月25日00:00—23:00在合肥市第11中學校園內，車載激光雷達進行了定點垂直探測。由氣溶膠激光雷達的探測數據，先利用公式(4)和公式(5)反演出氣溶膠的消光系數垂直廓線；然后利用公式(6)，把氣溶膠消光系數垂直廓線轉化為PM2.5質量濃度垂直廓線；再結合風雷達探測出的風垂直廓線，利用公式(7)，估算出PM2.5傳輸密度廓線，結果如圖8所示。從圖8中可以看出：PM2.5傳輸密度是高度和時間的函數，不同高度、不同時間的PM2.5傳輸密度有顯著區別。約在03:00—11:00之間，40～400 m的高度上PM2.5傳輸密度最大，可達1 g/(m2·min)。把輸送PM2.5傳輸密度對高度在0～3 000 m積分，可得出PM2.5柱狀傳輸通量，其結果如圖9所示。

圖8 PM2.5傳輸密度隨時間變化關系Fig.8 The relationship of PM2.5 transport density with time

圖9 PM2.5傳輸柱狀通量隨時間變化關系Fig.9 The relationship of PM2.5 transport column flux with time

4 結論

介紹了基于氣溶膠激光雷達和測風激光雷達走航車立體探測污染物技術及相應探測原理，科學定義了污染物PM2.5輸送的3個物理量：PM2.5傳輸密度、PM2.5傳輸柱狀通量和傳輸通量。給出了走航車在合肥和蕪湖等地相應的探測實例及分析。結果表明：基于激光雷達的走航車探測污染物是可行的；走航車是探測大氣顆粒物時空分布,搜尋大氣污染物源和估算顆粒物PM2.5通量強有力的工具。