Raman雷达测量气溶胶消光系数

摘 要：文章主要介绍了激光雷达的原理和气溶胶的概念，阐述了Raman激光雷达探测气溶胶消光系数的基本原理和计算步骤，分析得出气溶胶消光系数的变化与气溶胶的垂直分布，并对其中可能产生的误差及该探测方法的优缺点做一简要分析讨论。

关键词：激光雷达；Raman散射；气溶胶消光系数

1 研究背景

激光雷达在近50年来应用日趋变大，作为一种较为便利、可探测的时间分辨率及空间分辨率较高的主动遥感探测工具和技术，已被运用于很多方面，主要包括地理、物理、生物、天文、军事等，也是一种对大气的探测和检测十分有效的技术。

随着人类的进步和工业的发展，工业排放的固液态微小粒子不断进入到大气中，使大气气溶胶的含量日益增长，由于气溶胶对天气气候和人类的生存有着非常密切的联系，所以如何检测大气气溶胶的含量并有效的控制在当下已经成为一个很重要的任务。而其中多种对气溶胶光学特性的观察方法中目前最为成型并且利用广泛的应属利用Raman激光雷达进行观测，本文将基于众学者的研究成果继续开展Raman激光雷达对气溶胶消光系数的研究。

2 气溶胶的定义

气溶胶粒子是悬浮于大气中的多种固态和液态的微小颗粒物，其直径大小在0.001μm到0.1μm之间。气溶胶颗粒主要有固态和液态两种，其中固态颗粒的气溶胶被称作烟，液态颗粒的气溶胶被称作雾。

气溶胶在对天气系统的影响中有很重要的作用，它主要能够从两个方面影响天气和气候。一方面它可以将太阳光反射到太空中，使大氣降温，同时也降低大气能见度，另一方面能通过微粒的散射、漫反射以及吸收一部分的太阳辐射，减少地面长波辐射向太空的辐射，从而使大气升温。另外，气溶胶进入大气中成为水滴和冰晶的凝结核，在符合一定条件后将会形成降雨和降雪等天气现象，这也是天气预报的主要内容之一，如果不能很好的预报到一些关键地区关键时间的降水情况甚至有可能会导致一些灾难的发生。

3 Raman激光雷达概述

3.1 激光雷达

激光雷达是一种主动式光学遥感设备，其光源是激光，这种装置遥感大气的基本原理是探测大气与激光之间互相影响的辐射信号。因为其采用的探测束具有极强的定向性，而且波长较短，所以其时空分辨能力、探测灵敏度很高，正因如此，在大气气溶胶物理-光学性质探测领域内，激光雷达已成为一种主要方法。

3.2 Raman激光雷达系统

Raman散射原理是激光雷达的理论基础。Raman散射激光雷达是指用于大气气体分子浓度探测的激光雷达。由于气体分子Raman散射频移现象与激光波长无关，仅与散射分子的成分相关。因此，通过激光雷达测获的Raman散射频移即可确定待测气体的分子成分，Raman散射回波幅度则能确定待测气体浓度。通常来说，采用Raman散射激光雷达即能把污染气体分子与水汽分布排放浓度等测出。

Raman散射激光雷达所测获的外来辐射噪声包括以下两部分。其一，天空背景辐射（Raman散射波长）导致的噪声，不过，该部分辐射噪声在夜间探测时忽略不计。其二，激光照射大气形成的外来辐射噪声所导致的Mie和Rayleigh后向散射光辐射，它的散射波长极其接近于Raman散射波长，所以会显著影响到Raman后向散射光信号。Raman散射信号仅仅约为Mie散射信号的1/1000，极弱。因此，必须要有效的抑制噪音值，方能确保有效的接收到Raman雷达信号。

4 Raman雷达测量大气气溶胶消光系数

Raman雷达测量大气气溶胶消光系数原理及计算步骤：

令Raman激光雷达方程写为：

这里的P是在z距离上Raman波长为？姿R，激光脉冲传输波长为？姿L时所接受到的能量，O（z）是介于激光射线和光学接收器之间形成的重叠函数，α是以波长？姿L和？姿R为变量的总消光系数，B包含所有与深度无关的参考量，散射系数β与微分Raman雷达接收到的后向散射截面d？滓/d？赘的气体分子数密度的关系式为：

氮和氧的分子数密度都可以直接使用，因为他们的密度通常是已知的。如果激光束的传输途径完全在Raman激光雷达系统接收器的视野中，则O（z）为恒定值，则有：

（3）

这个结果支持高度Z>Zmin时关于拉曼雷达的重复作用 。

（3）式为得出的主要计算公式。人们根据大量的实际探测数据和设想理论， 规定了“标准大气”，一种特性最为接近实际大气并且与高度的关系较为平均分布的大气模型，对于标准大气的模型，可以得出大气密度在高度z上得表达：

表达式中P0为的海平面上的标准大气密度P0=2.5×1019/cm3，H=8.3km，故可以得出N（z）=78%P（z）。N为散射体的数密度，在标准大气条件下，N=2.687×1019mol/cm3，n=1.000278。

5 结束语

根据Raman激光雷达系统对大气气溶胶消光系数的探测实验和计算过程，可以得出Raman激光雷达系统在这方面的一些优缺点。

（1）优点：Raman激光雷达可以对气溶胶的空间垂直分布有较

高精度的测量，并且有较好的探测距离，文中源数据的空间分辨率为150m，这在探测气溶胶含量和对其消光系数的计算过程中提供了较为精准的数据，且测量出的消光系数精度也较高，可达到10-4～10-5/m，其精度也是非常准确的。Raman激光雷达系统的时间分辨率也较高，探测数据的频率较高。这样总的来说Raman激光雷达系统具有很好的时空分辨率。

（2）缺点：拉曼信号非常的微弱，信噪比很小。所以我们一般在夜晚进行实验，但往往还是会受到其他波长的噪声影响，此时通常使用滤光片去其他波长的噪声。

参考文献

[1]王明星.气溶胶与气候[J].气候与环境研究，2000：16-18.

[2]Collis，R.T.H.，Lidar：a new atmospheric probe，Quart.J.R.Met.soc.，1966，92（392）：220-230.

作者简介：王子立（1989-），男，云南昆明人，本科，助理工程师，研究方向：大气物理学与大气探测。