[发明专利]一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测装置及探测方法

说明书

技术领域

本发明属于激光主动遥感探测领域，具体涉及一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测装置，本发明还涉及该气溶胶颗粒物质量浓度的探测方法。

背景技术

掌握大气颗粒物质量浓度水平，系统地监测气溶胶来源和污染物的区域传送、明确排放的定量贡献等亟待解决的关键问题，才能制定合理有效的重点防控措施。当前对大气颗粒物质量浓度的检测主要采用直接测量和间接等效测量方法，包括采样称重法、β射线法、TEOM颗粒物质量监测仪等。这些测量基本都还局限于点测量或者空间网格式分布测量。然而，受气象条件以及其它人为因素的影响，大气颗粒物质量浓度空间分布变化很大，点测量获得的信息不足以反映颗粒物在大气中停留和传输的物理过程。气溶胶探测激光雷达已经实现了数十米至数公里范围的气溶胶消光系数和后向散射系数等光学特性的高时空分辨率探测。然而，在颗粒物质量浓度的探测上，尚未有成熟的激光雷达探测技术与方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测装置，解决当前颗粒物质量浓度空间分布监测技术不成熟的难题。

本发明的另一个目的是提供一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测方法。

本发明所采用的技术方案是，一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测装置，包括激光器发射多个波段的激光脉冲，依次经由准直扩束系统、反射镜进入大气中，产生的激光散射回波信号由望远镜接收，望远镜通过光纤与分光系统连接，分光系统依次连接有光电探测器、数据采集系统和计算机。

本发明所采用的另一个技术方案是，一种气溶胶颗粒物质量浓度的探测方法，具体包括以下步骤：

步骤1：激光器发射出355nm、532nm和1064nm三个波段的激光脉冲，三个波段的激光脉冲经准直扩束系统准直扩束后，由反射镜反射进入大气中；

步骤2：反射进入大气中的三个波段的激光脉冲与大气中的气溶胶颗粒物发射散射作用，产生的激光散射回波信号由望远镜接收；

步骤3：由望远镜接收的激光散射回波信号经光纤引入分光系统进行分光处理，得到355nm、532nm和1064nm三个波段的后向散射信号，分别由光电探测器进行信号探测和光电转换；

步骤4：经光电转换之后产生的电信号由数据采集系统进行数据采集，采集到的数据送入计算机进行算法处理，得到单次散射的激光雷达功率方程；

步骤5，对步骤4得到的激光雷达功率方程通过反演算法得到气溶胶颗粒物质量浓度。

本发明的特点还在于，

步骤4中单次散射的激光雷达功率方程表述为消光系数σ(z,λ)与后向散射系数β(z,λ)的函数：

式中，P(z,λ)为距离z处的瞬时接收功率，C为激光雷达系统常数，P₀激光发射功率，A望远镜接收面积，Y(z)系统几何重叠因子，σ(z,λ)为气溶胶消光系数，β(z,λ)为气溶胶后向散射系数。

步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1：激光雷达功率方程由Fernald反演算法分别得到355nm、532nm和1064nm三个不同波段的气溶胶颗粒物消光系数：

式中，S₁为大气气溶胶的雷达比，T_m(z)表示z处的大气分子的透射率，E表示激光雷达的发射脉冲能量；

步骤5.2：由多波段激光雷达探测到的气溶胶消光系数和后向散射系数信息，通过粒子谱反演算法，得到气溶胶颗粒物粒子谱的分布特征；

由米散射理论可知，气溶胶颗粒物的消光系数与其数密度有着直接的关系，波长为λ的气溶胶颗粒物光学参数与气溶胶颗粒物粒子谱之间满足第一类Fredholm积分方程：

式中，g表示光学参量，r气溶胶颗粒物粒子半径，m复折射率，λ波长，v(r)球形颗粒物粒子的体积分布函数，Q_β/ext(r,λ,m)是球形颗粒物粒子消光或者后向散射效率；Q_β/ext(r,λ,m)根据米散射理论计算得到，结合气溶胶颗粒物粒子谱n(z,r)得到消光系数σ(z,λ)和后向散射系数β(z,λ)的函数表达式，

式中，Q_λ,ext(r)和Q_λ,β(r)分别为气溶胶颗粒物消光效率和后向散射效率；

粒子体积分布函数v(r)通过加权因子W_j拟合样条曲线的方法得到，