【摘 要】
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大气气溶胶作为一种悬浮在大气中的分散系统,影响着地球辐射的收支平衡区域性的气候变化,对于气象环境生态领域具有重大的研究价值。此外,工业设施排放的PM2.5、PM10等颗粒物若是被吸入则会对人体造成危害,是环境污染治理重点监测对象。大气激光雷达作为一种主动式遥感探测技术,通过使激光与大气成分相互作用,可对大气进行大范围实时精确的遥感探测,在研究大气气溶胶及其微物理性质方面具有其他技术无法比拟的优势。
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大气气溶胶作为一种悬浮在大气中的分散系统,影响着地球辐射的收支平衡区域性的气候变化,对于气象环境生态领域具有重大的研究价值。此外,工业设施排放的PM2.5、PM10等颗粒物若是被吸入则会对人体造成危害,是环境污染治理重点监测对象。大气激光雷达作为一种主动式遥感探测技术,通过使激光与大气成分相互作用,可对大气进行大范围实时精确的遥感探测,在研究大气气溶胶及其微物理性质方面具有其他技术无法比拟的优势。目前大气激光雷达技术主要是基于飞行时间原理(Time-of-Flight),通过记录脉冲激光信号的飞行时间来分辨测量距离,需要使用结构复杂、高能量的脉冲激光器和高速的瞬态记录仪、高压光电传感器等昂贵的设备,导致系统成本高昂、后期维护繁琐。沙氏大气激光雷达技术作为近年来迅速发展的新兴激光雷达技术,为大气遥感探测提供了一种新的思路。该技术基于沙氏成像原理,使用半导体连续光激光器作为光源,结构紧凑的面阵传感器作为探测器,具有低成本、维护简单、结构紧凑等特点,依托于半导体技术的迅猛发展,该激光雷达技术具有巨大潜力。沙氏大气激光雷达技术在测量原理上与主流脉冲大气激光雷达技术有所不同,将两者进行对比研究对于沙氏大气激光雷达技术的发展显得尤为重要,有助于进一步理解沙氏成像原理在大气遥感探测应用中的特色和优势,同时也是对沙氏大气激光雷达技术进行有效验证的重要方式。在本文工作中,我们将自主搭建的532 nm单波长脉冲激光雷达系统(P-Lidar)和520nm单波长沙氏激光雷达系统(SLidar)进行对比测量实验。两套系统同时同地在同一近水平和相对水平面仰角为30°方向斜程测量得到了大气数据。对水平方向的测量结果采用道格拉斯-普克算法找寻边界值,Klett算法反演消光系数。对比结果发现,虽然在大概2 km探测距离以后,沙氏大气激光雷达获得的信号相较于脉冲大气激光雷达获得的信号由于分辨率低等原因会存在一定的差异,但520 nm沙氏大气激光雷达系统和532nm脉冲大气激光雷达系统测得的大气后向散射的时空变化总体上一致。评估了两者信号曲线平均绝对百分误差(MAPE)随距离的变化情况和整个测量距离上的均方根误差(RMSE)随时间的变化情况。在均匀水平大气条件下,激光雷达在0.3-2.5 km区域内的测量信号的MAPE平均值为0.348%。在斜程测量比较研究中,沙氏激光雷达曲线和脉冲激光雷达曲线之间的MAPE在0.3-2.5 km的区域内为0.45%。结果表明,具有更窄近端盲区的沙氏大气激光雷达技术适用于气溶胶遥感探测,在近距离探测应用中具有显著优势。此外,尝试了一种新的实验方法,该方法通过放置沙氏大气激光雷达系统与脉冲大气激光雷达系统同时测量,将测量近距离得到沙氏激光雷达信号作为基准,校准脉冲激光雷达系统的几何重叠因子。发现在大气成分均匀的环境下,通过所提出的方法算出的几何重叠因子在与直接将脉冲大气激光雷达信号进行线性拟合的方法获得的几何重叠因子非常吻合,两者差异小于10%。另一方面,考虑到两种技术的数据特点,使用沙氏大气激光雷达系统测量近端大气,脉冲激光雷达系统的同时测量远端大气,通过粘合由两个系统测量的激光雷达曲线,以一种较为便利的方式来扩展激光雷达技术的测量范围。可测量反演得到90 m至28 km处近地表气溶胶消光系数。该项工作证明了使用沙氏大气激光雷达技术校准脉冲式大气激光雷达几何重叠因子和近地面大气气溶胶遥感探测具有巨大潜力。
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