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拉曼氣溶膠激光雷達基本原理

以激光為光源，通過探測激光與大氣相互作用的光波信號來遙感大氣．光波與大氣中介質相互作用，產生包含氣體分子和氣溶膠粒子有關信息的輻射信號，利用適當的反演方法就可以從中得到關于氣體分子和氣溶膠粒子的相關信息．利用彈性散射信號確定顆粒物消光系數的方法無法改變這樣的事實：根據雷達信號來同時確定氣溶膠消光系數和后向散射系數這兩個未知的物理量．系統主要分為三個部分：光學發射與接收光學系統、光電探測組件中的電子學系統(包括激光器電源、信號放大、采集和控制單元)以及信號存儲與數據處理系統．

應用：目前主要應用與大氣溫度測量以及大氣污染測監測，北京奧運會期間曾經利用這項技術進行了大氣能見度以及污染顆粒的檢測。

大氣拉曼氣溶膠激光雷達

大氣氣溶膠的氣候強迫是目前氣候變化因素中不確定性大的一項。氣溶膠的光學特征直接影響大氣輻射過程,也可以通過在微物理過程中與云-降水的相互作用間接影響輻射過程。有必要對氣溶膠光學和微物理參數進行實時連續監測,降低氣溶膠輻射強迫在天氣和氣候模式中的不確定性。本研究利用多波段Raman激光雷達(355、532和1064nm)對北京上空氣溶膠進行了連續觀測,建立了光學參數的自動算法[1,2],并在此基礎上提出了環境氣溶膠微物理參數的3波段Raman激光雷達反演算法[3,4]。實現了對北京上空氣溶膠光學和微物理參數垂直分布的實時監測反演。2016年12月至今,在北京大學(39.99N,116.31E)校內樓頂,利用北京大學環境科學系及國家重點實驗室的一臺多波段Raman激光雷達,對北京上空氣溶膠進行了連續觀測。利用觀測得到的米散射和Raman散射信號,建立了355、532和1064nm后向散射系數及355nm消光系數的自動反演算法,得到了北京地區上空氣溶膠光學特征。根據6S輻射傳輸模式中氣溶膠模型,假設北京上空氣溶膠由黑炭型(Soot)、可溶型(Water Soluble)和沙塵型(Dust)組合構成,各類型氣溶膠均假設為對數正態分布;利用T-matrix米散射模型,計算三種氣溶膠的光學參數(355、532和1064nm后向散射系數和355nm消光系數)制作查算表,查算表變量包括三種氣溶膠數濃度(N1,N2,N3)和可溶性氣溶膠中心粒徑(rg)。對比光學參數的觀測值和模擬值,得到三種氣溶膠數濃度和可溶型氣溶膠中心粒徑的優解,進而計算氣溶膠微物理參數(有效半徑、表面積濃度、體積濃度和復折射指數),個例和統計分析表明結果合理。

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拉曼氣溶膠激光雷達特點

（1）激光能量：在355nm單脈沖能量可達~30mJ；

（2）200mm大口徑望遠鏡，有效提升信號效率；

（3）***的信噪比，探測距離可達10~15km；

（4）系統可以全自動遠程控制；

（5）系統包含標準軟件包：雷達控制、數據分析和實時顯示及存儲。

（6）符合歐盟標準人眼安全等級60825-1:2007；

（7）兼容歐洲氣溶膠研究激光雷達觀測網（EARLINET）要求；

（8）品質保證：ISO9001:2008管理體系認證；

（9）應用領域：氣象、環境、軍事、科學研究等。

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濟南開展拉曼氣溶膠激光雷達觀測工作

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為快速獲得區域內大氣顆粒物分布情況，有效分析顆粒物污染的生消過程和跨界輸送，為濟南市大氣污染提供數據支撐，濟南市環境監測中心站近期組織開展了氣溶膠激光雷達走航觀測工作。此次走航觀測工作由1月初開始，3月中旬結束，為期二個多月，分為市區內走航和長途走航兩部分。市區內走航觀測路線包括濟南市二環沿線、繞城高速沿線、經十路全程以及各個空氣站周邊等我市污染特征明顯路線和區域。長途走航結合污染物傳輸過程，可實時反演不同高度氣溶膠濃度，包括北京至濟南和濟南至龍口兩條路線。     車載激光雷達技術是基于米氏散射原理，利用激光對大氣顆粒物的時空分布進行遙感探測，獲取大氣消光系數、退偏振比、邊界層高度、光學厚度等參數，分析區域污染物分布、輸送特征與來源。此次激光雷達走航充分利用車載激光雷達技術，結合激光雷達數據、地面氣象數據、后向軌跡分析等對濟南市大氣顆粒物污染進行了深入的討論和分析，對摸清濟南市大氣顆粒物污染的時空分布和輸送規律，實時反映重污染天氣演變過程具有重要意義，為政府決策者制定大氣重點防治策略積累大量監測數據。