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

背景技術：

掌握大氣顆粒物質量濃度水平，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等亟待解決的關鍵問題，才能制定合理有效的重點防控措施。當前對大氣顆粒物質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顆粒物質量監(jiān)測儀等。這些測量基本都還局限于點測量或者空間網(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，大氣顆粒物質量濃度空間分布變化很大，點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已經實現(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)等光學特性的高時空分辨率探測。然而，在顆粒物質量濃度的探測上，尚未有成熟的激光雷達探測技術與方法。

技術實現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明的另一個目的是提供一種氣溶膠顆粒物質量濃度的探測方法。

本發(fā)明所采用的技術方案是，一種氣溶膠顆粒物質量濃度的探測裝置，包括激光器發(fā)射多個波段的激光脈沖，依次經由準直擴束系統(tǒng)、反射鏡進入大氣中，產生的激光散射回波信號由望遠鏡接收，望遠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)和計算機。

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

步驟1：激光器發(fā)射出355nm、532nm和1064nm三個波段的激光脈沖，三個波段的激光脈沖經準直擴束系統(tǒng)準直擴束后，由反射鏡反射進入大氣中；

步驟2：反射進入大氣中的三個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，產生的激光散射回波信號由望遠鏡接收；

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

步驟4：經光電轉換之后產生的電信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)送入計算機進行算法處理，得到單次散射的激光雷達功率方程；

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

本發(fā)明的特點還在于，

步驟4中單次散射的激光雷達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處的瞬時接收功率，C為激光雷達系統(tǒng)常數(shù)，P₀激光發(fā)射功率，A望遠鏡接收面積，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：激光雷達功率方程由Fernald反演算法分別得到355nm、532nm和1064nm三個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比，T_m(z)表示z處的大氣分子的透射率，E表示激光雷達的發(fā)射脈沖能量；

步驟5.2：由多波段激光雷達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)密度有著直接的關系，波長為λ的氣溶膠顆粒物光學參數(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表示光學參量，r氣溶膠顆粒物粒子半徑，m復折射率，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)米散射理論計算得到，結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)為計算誤差，K為樣條函數(shù)的個數(shù)，因此通過加權因子W_j的求解獲得氣溶膠粒子譜分布；當計算誤差ε^math(r)趨于無限小時，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量消光效率(MEE)；

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

式中，ρ為粒子標準密度；

步驟5.4：通過氣溶膠消光系數(shù)與質量消光效率相結合獲得顆粒物的質量濃度，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遙感探測顆粒物質量濃度分布的新理論和新方法能夠實現(xiàn)數(shù)公里范圍內的顆粒物質量濃度高空間分辨率探測，有效解決當前顆粒物質量濃度空間分布監(jiān)測技術不成熟的難題，為大氣科學研究及空間環(huán)境監(jiān)視、行政決策提供科學依據(jù)和方法論。同時，大范圍的顆粒物質量濃度空間分布信息是探討氣溶膠輻射特性、氣候效應和污染程度的基礎和前提。

本發(fā)明方法為一種對顆粒物質量濃度進行探測的新方法，以及提出的一種新的反演方法，與激光雷達結合運用可成為一種對大氣中顆粒物質量濃度探測的新設備，定標后可以當儀器使用，不需要輔助設備交叉測量，降低設備使用成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明氣溶膠顆粒物質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量濃度反演算法流程圖。

圖中，1.激光器，2.準直擴束系統(tǒng)，3.反射鏡，4.大氣，5.望遠鏡，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.計算機。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明氣溶膠顆粒物質量濃度的探測裝置，結構如圖1所示，包括激光器1發(fā)射多個波段的激光脈沖，依次經由準直擴束系統(tǒng)2、反射鏡3進入大氣4中，產生的激光散射回波信號由望遠鏡5接收，望遠鏡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和計算機10。

利用上述探測裝置對氣溶膠顆粒物質量濃度探測的方法，具體包括以下步驟：

步驟1：激光器1發(fā)射出355nm、532nm和1064nm三個波段的激光脈沖，三個波段的激光脈沖經準直擴束系統(tǒng)2準直擴束后，由反射鏡3反射進入大氣4中；

步驟2：反射進入大氣中的三個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，產生的激光散射回波信號由望遠鏡5接收；

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

步驟4：經光電轉換之后產生的電信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9進行數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)送入計算機10進行算法處理，得到單次散射的激光雷達功率方程；單次散射的激光雷達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處的瞬時接收功率，C為激光雷達系統(tǒng)常數(shù)，P₀激光發(fā)射功率，A望遠鏡接收面積，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)以及它們之間的關系是描述氣溶膠光學特性的主要參數(shù)，與激光發(fā)射波長、顆粒物大小、形狀和折射率相關。

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

步驟5.1：激光雷達功率方程由Fernald反演算法分別得到355nm、532nm和1064nm三個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比，T_m(z)表示z處的大氣分子的透射率，E表示激光雷達的發(fā)射脈沖能量；

步驟5.2：由多波段激光雷達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)密度有著直接的關系，波長為λ的氣溶膠顆粒物光學參數(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表示光學參量，r氣溶膠顆粒物粒子半徑，m復折射率，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)米散射理論計算得到，結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)為計算誤差，K為樣條函數(shù)的個數(shù)，因此通過加權因子W_j的求解獲得氣溶膠粒子譜分布；當計算誤差ε^math(r)趨于無限小時，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量消光效率(MEE)；

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

式中，ρ為粒子標準密度；

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

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

式中，σ_a(z,λ)為氣溶膠消光系數(shù)。