大气拉曼气溶胶激光雷达

大气气溶胶的气候强迫是目前气候变化因素中不确定性大的一项。气溶胶的光学特征直接影响大气辐射过程,也可以通过在微物理过程中与云-降水的相互作用间接影响辐射过程。有必要对气溶胶光学和微物理参数进行实时连续监测,降低气溶胶辐射强迫在天气和气候模式中的不确定性。本研究利用多波段Raman激光雷达(355、532和1064nm)对北京上空气溶胶进行了连续观测,建立了光学参数的自动算法[1,2],并在此基础上提出了环境气溶胶微物理参数的3波段Raman激光雷达反演算法[3,4]。实现了对北京上空气溶胶光学和微物理参数垂直分布的实时监测反演。2016年12月至今,在北京大学(39.99N,116.31E)校内楼顶,利用北京大学环境科学系及国家重点实验室的一台多波段Raman激光雷达,对北京上空气溶胶进行了连续观测。利用观测得到的米散射和Raman散射信号,建立了355、532和1064nm后向散射系数及355nm消光系数的自动反演算法,得到了北京地区上空气溶胶光学特征。根据6S辐射传输模式中气溶胶模型,假设北京上空气溶胶由黑炭型(Soot)、可溶型(Water Soluble)和沙尘型(Dust)组合构成,各类型气溶胶均假设为对数正态分布;利用T-matrix米散射模型,计算三种气溶胶的光学参数(355、532和1064nm后向散射系数和355nm消光系数)制作查算表,查算表变量包括三种气溶胶数浓度(N1,N2,N3)和可溶性气溶胶中心粒径(rg)。对比光学参数的观测值和模拟值,得到三种气溶胶数浓度和可溶型气溶胶中心粒径的优解,进而计算气溶胶微物理参数(有效半径、表面积浓度、体积浓度和复折射指数),个例和统计分析表明结果合理。

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拉曼气溶胶激光雷达优势特点

准确性：高时间分辨率达1s，高空间分辨率达5m

精密性：采用NASA航天部件器材

权1威性：数据质量得到国际高水平期刊认可

兼容性：可与多种气象设备联合观测使用

便携性：体积小

安全性：符合美国和欧洲的用眼安全标准

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拉曼气溶胶激光雷达

激光雷达的空间扫描方法可分为非扫描体制和扫描体制，其中扫描体制可以选择机械扫描、电学扫描和二元光学扫描等方式。非扫描成像体制采用多元探测器，作用距离较远，探测体制上同扫描成像的单元探测有所不同，能够减小设备的体积、重量，但在我国多元传感器，尤其是面阵探测器很难获得，因此国内激光雷达多采用扫描工作体制。

机械扫描能够进行大视场扫描，也可以达到很高的扫描速率，不同的机械结构能够获得不同的扫描图样，是目前应用较多的一种扫描方式。声光扫描器采用声光晶体对入射光的偏转实现扫描，扫描速度可以很高，扫描偏转精度能达到微弧度量级。但声光扫描器的扫描角度很小，光束质量较差，耗电量大，声光晶体必须采用冷却处理，实际工程应用中将增加设备量。

什么是拉曼激光雷达？

首先明白一下激光雷达，激光雷达是以激光为光源，通过探测激光与被探测无相互作用的光波信号来遥感测量的．使用振动拉曼技术进行测量的激光雷达技术即为拉曼激光雷达，主要用于大气遥感测量。拉曼激光雷达属于遥感技术的一种。

激光雷达作为一种主动遥感探测技术和工具已有近50 年的历史，目前广泛用于地球科学和气象学、物理学和天文学、生物学与生态保持、***等领域。其中，传统意义上的激光雷达主要用于陆地植被监测、激光大气传输、精细气象探测、***气候预测、海洋环境监测等。随着激光器技术、精细分光技术、光电检测技术和计算机控制技术的飞速发展，激光雷达在遥感探测的高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有独到的优势。

激光雷达探测原理

光波的物理量可由强度、波长（频率）、相位、偏振态及指向性等来表示。光与物质相互作用主要表现为吸收及散射现象，按作用机理可以分为气溶胶等颗粒物引起的米氏散射，大气分子及原子等引起的瑞利散射、拉曼散射、荧光及共振散射和吸收等现象。通过对各种散射机理及效果进行分析，可以探测物质的物理及化学信息。大气探测激光雷达工作原理与微波雷达相似。一般采用脉冲激光器作为发射源，向大气中发射一束具有高指向性、高能量的窄脉冲宽度的激光束，通过望远镜收集大气中物质产生的后向散射光，并对散射光进行光谱分析，剔除杂散光信号，经光电转换后获得电信号，由计算机进行数据采集、信号分析及数据反演即可得到所需大气参数或信息。