技術(shù)特征：

1.一種氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度的探測(cè)裝置，其特征在于，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(hào)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(cè)器(8)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(9)和計(jì)算機(jī)(10)。

2.一種氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度的探測(cè)方法，其特征在于，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(hào)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(hào)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(hào)，分別由光電探測(cè)器(8)進(jìn)行信號(hào)探測(cè)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(hào)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；

步驟5，對(duì)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。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度的探測(cè)方法，其特征在于，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)：

$P(z,\mathrm{\λ})=C\·P_0\·\frac{A}{z^2}\·Y\left(z\right)\·\mathrm{\β}(z,\mathrm{\λ})\·\exp \[-2{\∫}_0^z\mathrm{\σ}(z_1,\mathrm{\λ}){\mathrm{dz}}_1\]---\left(1\right)$

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)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度的探測(cè)方法，其特征在于，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)：

$\mathrm{\σ}(z,\mathrm{\λ})=\frac{\frac{P(z,\mathrm{\λ})z^2{T}_m(z,\mathrm{\λ}){(3S_1/4\mathrm{\π})}^{-2}{S}_1}{CE}}{1-\frac{2S_1}{CE}{\∫}_0^{r}P(z,\mathrm{\λ})z^2{T}_m(z,\mathrm{\λ}){(3S_1/4\mathrm{\π})}^{-2}dr}-S_1{\mathrm{\β}}_m(z,\mathrm{\λ})---\left(2\right)$

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(cè)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(zhǎng)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：

$g_p\left(\mathrm{\λ}\right)={\∫}_{r_{\min }}^{r_{\max }}\frac{3}{4r}{Q}_{\mathrm{\β}/ext}(r,\mathrm{\λ},m)v\left(r\right)---\left(3\right)$

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(zhǎng)，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，

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\λ}}\left(z\right)={\∫}_{r_{\min }}^{r_{\max }}{Q}_{\mathrm{\λ},ext}\left(r\right){\mathrm{\πr}}^{2}n(z,r)dr---\left(4\right)$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{\λ}}\left(z\right)={\∫}_{r_{\min }}^{r_{\max }}{Q}_{\mathrm{\λ},\mathrm{\β}}\left(r\right){\mathrm{\πr}}^{2}n(z,r)dr---\left(5\right)$

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，

$v\left(r\right)=\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{W}_j{B}_j\left(r\right)+{\mathrm{\ϵ}}^{math}\left(r\right)---\left(6\right)$

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：

$v\left(r\right)=\underset{j=1}{\overset{K}{\Σ}}{W}_j{B}_j\left(r\right)---\left(7\right)$

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(duì)于任意給定的粒子譜分布和激光波長(zhǎng)，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

$MEE=\frac{\mathrm{\π}{\∫}_{r_{\min }}^{r_{\max }}{r}^2{Q}_{ext}(r,\mathrm{\λ},m)n\left(r\right)dr}{\frac{4}{3}\mathrm{\π}\mathrm{\ρ}{\∫}_{r_{\min }}^{r_{\max }}{r}^{3}n\left(r\right)dr}---\left(8\right)$

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：

$C\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}_a(z,\mathrm{\λ})}{MEE}g/m^3---\left(9\right);$

式中，σ_a(z,λ)為氣溶膠消光系數(shù)。