氣溶膠激光雷達在大氣環境監測中的應用

氣溶膠激光雷達在大氣環境監測中的應

用

李佳

關鍵詞：氣溶膠激光雷達；顆粒物；大氣環境監測；車載激光雷達

引言

自改革開放以來，我國工業發展水平逐漸上升，人們由于過于追求生活水平

質量而忽略了生態環境的保護，導致大氣污染破壞嚴重，對人們生活和健康產生

極大威脅。若想解決大氣污染所帶來的問題，就必須從大氣污染主要的根源入手，

制定合理的對策及方案，在不耽誤人們正常工業生產和發展的同時也能有效整治

大氣污染給人們生活所帶來的影響和威脅，為人類賴以生存的環境提供保障，實

現工業和大氣生態環境的可持續發展。

1環境監測的運用范圍以及概念

系統接收，經反演確定氣溶膠分布特征。激光雷達的主要構成包括激光發射單元、

接收光學單元、后繼光學單元、信號探測與采集單元、運行控制單元等，其中激

光發射單元包括激光器和發射光學元件，接收光學單元多采用望遠鏡。激光雷達

按運載平臺可分為地基固定式、車載式、機載式和星載式，以地基固定式和車載

式為主。目前應用廣泛的氣溶膠（顆粒物）激光雷達包括微脈沖激光雷達、雙波

長激光雷達和多波長激光雷達等。由于對激光雷達的稱呼未規范，氣溶膠激光雷

達或顆粒物激光雷達一般也簡稱為激光雷達。

3我國大氣污染現狀

我國近年來由于工業生產發展規模迅速，消耗能源數量巨大，再加之我國由

于工業水平還有一定欠缺，大多數使用的是煤炭能源，導致在工業生產中產生了

大量廢氣排放，對大氣造成了一定污染。煤炭能源燃燒所產生的廢氣含有大量二

氧化碳等有害氣體，對人們生活和生存環境都有著嚴重的威脅。因此，我國對工

業生產使用能源及廢氣排放處理迫在眉睫。大氣污染環境監測分類大氣污染中的

主要物質是有害氣體和顆粒組成的，因此對大氣污染環境監測可以分為以下四種：

（1）生物監測。生物監測是指在被污染地區通過植物與其空氣接觸進行對空氣

質量的監測；（2）物理監測。物理監測是在監測大氣情況時使用了一些監測設

備，利用這些專業機器可以精確監測結果并保持科學性。目前物理監測是最常用

區布點法的規律一般可以將整個監測區域分成重工業區、農業區、商業區、生活

區、教育區等，功能區劃分的越合理則監測點的布置就越容易，重工業區的空氣

污染比其他區域嚴重得多，因此重工業區應該布置更多的監測點，而其他區域則

只需要布置一定數量的監測點即可滿足要求。

3.2臨近空間環境探測及應用

2011年車載式鈉熒光散射多普勒激光雷達研制完成后部署在中國科學院廊坊

臨近空間環境野外科學觀測研究站進行觀測。經過與流星雷達、中頻雷達對比，

驗證了其可靠性，開展觀測研究臨近空間重力波活動、鈉原子輸送、垂直風擾動

等。為了對車載平臺子系統進行改造并對激光雷達系統升級，2017年后該激光雷

達轉移到北京進行觀測。在信號采集時，時間分辨率為1 min，距離分辨率率為

0.077 km。在數據處理分析時，可以根據不同的應用目的，輸出不同時空分辨

率的結果。由于鈉原子的空間分布不同，不同高度的熒光散射信號強度不同。通

常在92 km左右，熒光強度最大，具有較高的信噪比。當時間分辨率為60 min，

距離分辨率為1 km時，在92 km處鈉原子數密度的測量不確定度約為0.1%，

溫度的測量不確定度約為0.3 K，風速測量不確定度約為1.0 m/s。

3.3網格布點法

網格布點法指的是大氣環境監測人員先將整個監測區域按照縱橫兩個方向將

其分成多個網格，然后分別在網格周圍的點位上布置大氣環境監測點，最后在網

絡的限制下可以保證網格布點法能夠將整個監測區域全部覆蓋到，使其滿足全面

性布點原則。網格布點法的優勢是可以根據各個網格監測點的空氣質量結果判斷

污染比較嚴重的網格區域，而且根據網絡污染程度即可確定污染中心，這樣則可

以制定針對性比較強的大氣環境污染治理措施。

3.4信息技術在環境監測的運用

在信息技術時代背景下，云計算技術以及大數據技術的出現，使許多行業成

功轉型。而將上述技術應用至環境監測中，能夠提升環境監測數據信息統計工作

的效率。由于大數據技術具備數據分析以及爬取等功能，促進了環境監測工作向

現代化、信息化方向發展，降低人工誤差。環境監測工作通常具有較長的周期，

而獲取的數據也更為龐大。在部分設備落后的地區，信息處理設備已經難以全面

的開展數據分析工作，導致監測過程無法監測到潛在的環境污染現象。因此，只

有提升大數據技術的應用概率，才能夠從根源上保障環境監測工作質量。與此同

時，信息技術能夠從根源上提升溝通效率，最快速度內解決霧霾等大氣污染問題

3.5調整優化產業結構

當前大氣環境污染的根源，是大量低技術含量的落后的工業產能。這些落后

的工業產能消耗大量資源、能源，造成嚴重的空氣污染，又無法促進生產力向前

發展。因此，應當繼續優化產業布局，嚴控“兩高”行業產能，嚴格執行“三線

一單”制度，嚴格限定產業準入類別，明確禁止和限制發展的行業、生產工藝和

產業目錄，加大落后產能淘汰和過剩產能壓減力度

結束語

激光雷達自20世紀60年代發明后得到快速發展和應用，尤其在大氣環境探

測方面，對垂直高空大氣探測和重污染天氣顆粒物演變的效果較好。目前氣溶膠

激光雷達的消光系數、退偏振比等參數使用效果較佳，但大氣邊界層高度、顆粒

物定量分析等應用有待繼續優化。固定式激光雷達探測區域受到局限，激光雷達

走航車能夠隨時移動，在準確查找污染源方面具有一定的優勢，今后應用將更加

廣泛。另外，氣溶膠激光雷達分析結果較為單一，需要組建雷達網或借助光化學

分析超級站數據進行綜合分析

參考文獻

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