激光雷达测气溶胶消光系数实验研究

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1、........激光雷达测气溶胶消光系数实验研究摘要：大气气溶胶影响着天气和气候的变化，通过用激光雷达对水平大气中的气溶胶进行连续观测，得到大气气溶胶浓度的高度分布数据，用Klett法反演和斜率法得到了气溶胶消光系数数值并利用MATLAB程序用计算机对所得实验数据快速方便地直接得出出测量结果和图示。关键词：气溶胶；激光雷达；探测；Klett反演算法；斜率法；消光系数；MATLAB0前言本文为米散射激光雷达测大气气溶胶消光系数的研究报告，包含激光雷达的原理、斜率法等内容。大气气溶胶是指悬浮在大气中的固体和（或）液体微粒，气溶胶的范围很广，如地面的扬尘、烟粒、微生物、植物的孢子和花粉以及水和

2、冰组成的云雾滴、冰晶和雨雪等粒子，都属于气溶胶。除了自然界自然产生的气溶胶粒子以外，人为排放到大气内的污染气体等也会最终形成为气溶胶粒子。气溶胶粒子会直接和间接地影响着气候，通过吸收和散射太阳辐射以及地球的长波辐射而影响着地球和大气的辐射收支，凝结成核参与[1]云的形成，从而影响到天气和气候的变化。另外，大气气溶胶的浓度变化还会直接影[2]响到人们的健康和生存环境。激光雷达是一种主动的遥感探测工具，已有多年的历史，已广泛应用于激光大气传[3]输、全球气候预测、气溶胶辐射效应及大气环境等研究领域。激光雷达探空方法是向大气中发射激光束（微米波），利用大气中的气溶胶或大气分子为媒介，进行大气遥

3、感探测。由于激光的波长较短且脉冲的宽度窄，故可进行全大气层内的高精度及高时空分辨率探测。数十年来，激光技术的不断发展为激光雷达大气气溶胶探测提供了所需要的光源。.专业学习资料.........另一方面，信号探测和数据采集极其控制技术的发展使激光雷达在大气气溶胶的探测高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有全面的优势，是其他探测手[4]段不能比拟的。1研究目的及背景大气中，尘埃、烟雾、云团等气溶胶粒子对大气的化学过程、辐射平衡、气候变化乃至人们的日常生活都有着非常重要的影响。因此，对大气气溶胶粒子的光学特性的探测研究一直是大气科学、气象探测和环境保护的一项重要任务。近年来，中

4、国经济的飞速发展已受到全世界的关注。然而，这种快速的经济增长也伴随着社会体系的变革，高度的工业化和城市化造成许多气溶胶粒子和温室气体被排放到大气，带来了一系列的环境问题，对可持续发展有着严重的负面影响，同时对人们的日常生活和身体健康存在着严重的威胁。如何获取环境变化的第一手资料，准确地提供大气物性及其变化趋势，是当前环境测量领域的一项迫切任务。激光雷达作为一种主动遥感探测工具，已广发用于大气气溶胶辐射效应、大气环境[5]等研究领域。在其探测高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有的独到优势，是其他探测手段不能比的。利用激光雷达探测城区对流层气溶胶工作已在我国北京、合肥、苏州

5、、西藏那曲等部分地区开展，然而环境监测的数据信息还远远不够，对我国的大气环境状况的评估需要大量的气溶胶监测数据的支撑。如西部地区特殊的地理位置和气候条件及进来的高度的经济发展状况，造成大气中的气溶胶粒子含量较高，空气污染较为严重。对西部地区上空开展气溶胶时空分布探测及其输送特性研究，一直是气象、环保部门所关注的研究课题。特别是起源于我国北方地区频繁发生的沙尘暴事件已引起国内国际的关注，沙尘暴已成为一个重要的地球环境问题。但地面探测仪如太阳光度计、粒子取样计等仪器还无法实现对气溶胶时空分布的剖面极其输送特性的.专业学习资料.........实时探测，也很难实现长期观测。而利用米散射激光雷达

6、实际探测沙尘气候，判断沙尘的相对浓度分布，为利用激光雷达技术进一步研究沙尘的发生及输送规律等奠定基础。2激光雷达的原理2.1激光雷达的基本原理及方程激光雷达其最根本的工作原理与普通雷达相类似，即由发射系统发送一个信号，用接收系统采集与目标相作用所产生的返回信号并进行处理。不同之处为，激光雷达发射的信号为激光束，相比于普通无线电雷达所发送的毫米波的波长要短得多，故激光雷达系统的激光波长一般在微米量级，因而只能用于探测极细小的微粒和分子。图1激光雷达原理激光雷达的基本原理如图1所示，由激光器发出一束波长为λ0，宽度为tp的脉冲经准直扩束后垂直射入大气，光脉冲在通过大气时所受到散射和衰减，其后

7、向散射光被接[6]收面积为Ar的望远镜系统接收，高度z处的后向散射信号功率可用雷达方程表示：c∙tpArP(λ,z)=P0∙Yz∙∙2∙βλ,z∙2z.专业学习资料.........T2λ,z(2.1)式中，λ为接收到的散射信号的波长，P0为发射的激光脉冲的峰值功率，Y(z)为发送器与接收器光路的集合重叠系数，c为光速，βλ,z为大气体积后向散射系数,Tλ,z为大气的透过率，由朗伯定律可知：x'Tλ,z=exp[−αλ,z'dz'