[发明专利]大气气溶胶颗粒物探测激光雷达及反演方法

说明书

本发明公开了一种大气气溶胶颗粒物探测激光雷达及反演方法，该激光雷达由发射激光单元（1）、接收望远镜（2）、接收光纤（3）、信号检测单元（4）和信号处理单元（5）组成；采用高分辨光谱检测方法，测得激光激发大气分子产生的拉曼散射光谱信号，以及激发大气气溶胶颗粒物和大气分子上产生的米‑瑞利散射光谱信号，利用拉曼散射光谱与瑞利散射光谱在回波强度上成正比的特点，从米‑瑞利散射光谱信号中定量扣除由大气分子产生的瑞利散射光谱，获得只有大气气溶胶颗粒物的信号，反演获得大气气溶胶颗粒物信息。由于本发明增加了拉曼散射通道对低空回波信号的校正，消除低空米散射中瑞利散射造成的影响，具有提高大气气溶胶颗粒物探测精度的优点。

技术领域

本发明涉及大气探测激光雷达，尤其涉及大气气溶胶颗粒物探测激光雷达。

背景技术

大气的污染成分主要由气溶胶颗粒物(如：烟雾、尘埃等)和有害气体分子构成。其中，气溶胶颗粒物通常采用大气米散射机制的激光雷达测得，由米散射信号强度可得到大气中气溶胶颗粒物的浓度，如文献1(Mie LIDAR Observations of Tropospheric Aerosolover Wuhan.Atmosphere 2015,6,1129-1140)。

采用米散射激光雷达测量大气气溶胶颗粒物时，在回波光中，除了包含大气气溶胶颗粒物的米散射回波信号，还包含有其它大气分子(如N₂、O₂等)的瑞利散射和拉曼散射光信号，给颗粒物的定量检测带来了误差，尤其是随着高度的增加，大气气溶胶颗粒物逐渐减少，大气分子的所占的比例逐渐增加(当然存在特殊的天气情况，如遇到高层薄云、火山、大区域沙尘暴天气时，高空大气气溶胶也有可能含量较高)，瑞利散射和拉曼散射光信号的所占比重更大,对颗粒物的检测带来的误差也就更大。

为获得大气气溶胶颗粒物的含量，需要探测得到大气气溶胶和大气分子两种成分各自所占的比例。文献2(Combined Raman lidar for the measurement of atmospherictemperature,water vapor,particle extinction coefficient,and particlebackscatter coefficient，APPLIED OPTICS，Vol.41,No.36，7657-7666,2002)采用探测米-瑞利弹性散射通道信号和大气分子的两个转动拉曼通道信号的方法，通过两个转动拉曼通道信号得到大气分子的密度，推算出米-瑞利弹性散射通道信号中大气分子所占的比例，进而得到米散射的大气气溶胶颗粒物的含量。

文献3(纯转动拉曼谱反演大气温度和气溶胶后向散射系数的新方法，地球物理学报,Vol.55，No.11：3527-3533，2012)，采取与文献2类似的原理方法，不同之处在于，其所选的两个转动拉曼通道为氮气分子J＝4和J＝14的两个单支谱线。

上述文献2和文献3有效的获得了大气气溶胶和大气分子两种成分各自所占的比例，提高了对大气气溶胶颗粒物含量的探测精度，但同时也增加了系统结构和反算法的复杂度。

发明内容

本发明的目的是：提供一种大气气溶胶颗粒物探测激光雷达。该雷达采用高分辨光谱检测方法，测得激光在大气分子上产生的拉曼散射光谱信号，以及激光在大气气溶胶颗粒物和大气分子上产生的米-瑞利散射光谱信号，利用拉曼散射光谱与瑞利散射光谱在回波强度上成正比的特点，选取探测拉曼散射光谱中对温度不敏感的一段光谱信号代表大气分子散射强度，再从米-瑞利散射光谱信号中定量扣除由大气分子产生的瑞利散射光谱，获得只有大气气溶胶颗粒物信号。本发明通过增加一个拉曼散射通道对回波信号进行校正，消除米散射中瑞利散射对探测大气气溶胶颗粒物造成的影响，具有结构简单、探测探测精度高的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

1、系统组成与结构