基于raman激光雷达反演大气污染气体浓度几种方法

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第26卷，第7期光谱学与光谱分析Vo1．26，No．7，pp1249—12522006年7月SpectroscopyandSpectralAnalysisJuly，2006基于Raman激光雷达反演大气污染气体浓度几种方法洪光烈，张寅超，周孟然，曹开发，周军1．中国科学院研究生院，北京1000392．中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽合肥230031摘要Raman激光雷达是探测大气污染气体的一种重要方法，雷达回波反演是其中的重要步骤，反演的关键在于正确得到透过率指数因子。以消光系数为中心的三个方案，介绍了目前已普遍采用的方法、应用532

2、am大气消光系数间接求取a(，z)和a(。，z)。提出了两种新方法：(1)采用拉曼波长与待测气体相近的参考气体，a(l，z)一a(。，)；(2)借助l和z的Mie-Rayleigh散射回波求取指数因子。主题词环境光谱学；Raman激光雷达；反演；Mie-Rayleigh散射；参考气体；消光系数中图分类号：O433．5文献标识码：A文章编号：1000—0593(2006)07—1249—04(rad)～。a(，z)表示激发波长为的大气消光系数，a(，引言z)表示拉曼散射波长为的大气消光系数，单位为km～。式中指数衰减项表明，激光传输至距离R的探测目标物时，气体的特征光谱可用于识别和探测气体

3、成分E”，Raman受到激发波长条件下大气消光系数的衰减；但返回激光激光雷达是遥测大气污染气体的一种重要方法。Raman激光雷达的拉曼后向散射光，则受到拉曼散射波长条件下大雷达是根据激光激发大气中待测气体分子产生的Raman散气消光系数的衰减。A为望远镜接收面积，△R为分辨距离。射原理来实现探测大气中待测气体含量的目的。实际探测大气中参考气体拉曼散射回波所满足的雷达方程同样表示为中，为了减小测量误差，通常以大气中含量稳定、而其拉曼N2(R)一N2n2(R)壁(R)△R(A／Rz)·后向散射微分截面由实验精确测定的氮或氧分子的拉曼散射exp[一』：[a(z，z)+a(，z)]dz](2)回

4、波，作为参考标定值，以获得较为可靠的污染气体分子的式中，N2(R)为参考气体分子的拉曼回波光电子数，n。(R)浓度探测值。Raman散射光子数的多少与该气体的分子数多为参考气体分子分子浓度，腰为参考气体分子的拉曼后向散少成正比，接受不同高度上待测气体分子和参考气体分子射微分截面，a(z，z)为参考气体拉曼光的大气消光系数，NRaman后向散射光的回波信号，两者相比较，可以得到待测表示发射激光脉冲包含的光子数，对于待测气体和参考气体气体的相对浓度。反演计算是其中的很重要的步骤。激发能量是相同的；如果公用一个通道接收2种回波，只是1反演的原理切换滤光片，那么可以认为雷达的几何因子a(R)一(

5、R)，(1)、(2)两式相除：Rainan激光雷达接收到的待测气体分子的Raman后向散射回波信号分别表示如下。]：一笆旦．n2(R)Nz(R)Nl(R)一N扫lnl(R)a(R)AR(A／R。)·rR—explI[a(1，z)一a(2，z)]dzl(3)expl—lEa(z,，z)+a(p，z)]dzl(1)L”．JL”．J式中N(R)为距离R处污染气体分子的拉曼回波光电子数，其中()基本上是与高度无关的常数，N(R)，为仪器效率常数，与拉曼散射波长有关，n(R)为待测污Nz(R)即为雷达接收的回波信号。当我们知道两种气体拉曼染气体分子浓度，单位为·cm(为分子数)，B。为待散射微分截

6、面比值和系统的效率，即可从两种回波信号比值测气体分子的拉曼后向散射微分截面，单位为cmz·和参考气体的浓度的标准化模式推测到待测气体浓度分布。收稿日期：2005-03—16。修订日期：2005-07—31基金项目：863—13(2OO2AA135O3O)资助项目作者简介：洪光烈，1966年生，中国科学院安徽光学精密机械研究所副研究员，博士研究生维普资讯http://www.cqvip.com1250光谱学与光谱分析第26卷从(3)式中能否正确地反演待测气体浓度，关键是能否正确371．66nlTl，若选用02作为参考气体，它的Raman散射波长一rR一(1555cm)375．43nlTl，

7、可见它们的大气消光系数基本相地得到指数修正因子expIlJI0、(，z)一a(z，z)]l值，它是等。又比如0z作为参考气体，激发波长354．7nm，待测气高度R的函数。体N02(1320C1TI)Raman散射波长372．1nlTl，它们的散射波长相近；激发波长354．7nm，以Nz参考气体(23312方法一cm)Raman波长386．7nlTl，待测气体CO(2145ClTI)Raman波长383．7nrn，它们的散射波长相近。