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Raman雷達測量氣溶膠消光系數

1 研究背景

激光雷達在近50年來應用日趨變大，作為一種較為便利、可探測的

時間分辨率及空間分辨率較高的主動遙感探測工具和技術，已被運用于很

多方面，主要包括地理、物理、生物、天文、軍事等，也是一種對大氣的

探測和檢測十分有效的技術。

隨著人類的進步和工業的發展，工業排放的固液態微小粒子不斷進入

到大氣中，使大氣氣溶膠的含量日益增長，由于氣溶膠對天氣氣候和人類

的生存有著非常密切的聯系，所以如何檢測大氣氣溶膠的含量并有效的控

制在當下已經成為一個很重要的任務。而其中多種對氣溶膠光學特性的觀

察方法中目前最為成型并且利用廣泛的應屬利用Raman激光雷達進行觀

測，本文將基于眾學者的研究成果繼續開展Raman激光雷達對氣溶膠消光

系數的研究。

2 氣溶膠的定義

氣溶膠粒子是懸浮于大氣中的多種固態和液態的微小顆粒物，其直徑

大小在0.001μm到0.1μm之間。氣溶膠顆粒主要有固態和液態兩種，其

中固態顆粒的氣溶膠被稱作煙，液態顆粒的氣溶膠被稱作霧。

氣溶膠在對天氣系統的影響中有很重要的作用，它主要能夠從兩個方

面影響天氣和氣候。一方面它可以將太陽光反射到太空中，使大?飩滴攏?

同時也降低大氣能見度，另一方面能通過微粒的散射、漫反射以及吸收一

部分的太陽輻射，減少地面長波輻射向太空的輻射，從而使大氣升溫。另

外，氣溶膠進入大氣中成為水滴和冰晶的凝結核，在符合一定條件后將會

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形成降雨和降雪等天氣現象，這也是天氣預報的主要內容之一，如果不能

很好的預報到一些關鍵地區關鍵時間的降水情況甚至有可能會導致一些

災難的發生。

3 Raman激光雷達概述

3.1 激光雷達

激光雷達是一種主動式光學遙感設備，其光源是激光，這種裝置遙感

大氣的基本原理是探測大氣與激光之間互相影響的輻射信號。因為其采用

的探測束具有極強的定向性，而且波長較短，所以其時空分辨能力、探測

靈敏度很高，正因如此，在大氣氣溶膠物理-光學性質探測領域內，激光

雷達已成為一種主要方法。

3.2 Raman激光雷達系統

Raman散射原理是激光雷達的理論基礎。Raman散射激光雷達是指用

于大氣氣體分子濃度探測的激光雷達。由于氣體分子Raman散射頻移現象

與激光波長無關，僅與散射分子的成分相關。因此，通過激光雷達測獲的

Raman散射頻移即可確定待測氣體的分子成分，Raman散射回波幅度則能

確定待測氣體濃度。通常來說，采用Raman散射激光雷達即能把污染氣體

分子與水汽分布排放濃度等測出。

Raman散射激光雷達所測獲的外來輻射噪聲包括以下兩部分。其一，

天空背景輻射（Raman散射波長）導致的噪聲，不過，該部分輻射噪聲在

夜間探測時忽略不計。其二，激光照射大氣形成的外來輻射噪聲所導致的

Mie和Rayleigh后向散射光輻射，它的散射波長極其接近于Raman散射波

長，所以會顯著影響到Raman后向散射光信號。Raman散射信號僅僅約為

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Mie散射信號的1/1000，極弱。因此，必須要有效的抑制噪音值，方能確

保有效的接收到Raman雷達信號。

4 Raman雷達測量大氣氣溶膠消光系數

Raman雷達測量大氣氣溶膠消光系數原理及計算步驟：

令Raman激光雷達方程寫為：

這里的P是在z距離上Raman波長為？姿R，激光脈沖傳輸波長為？

姿L時所接受到的能量，O（z）是介于激光射線和光學接收器之間形成的

重疊函數，α是以波長？姿L和？姿R為變量的總消光系數，B包含所有

與深度無關的參考量，散射系數β與微分Raman雷達接收到的后向散射

截面d？滓/d？贅的氣體分子數密度的關系式為：

氮和氧的分子數密度都可以直接使用，因為他們的密度通常是已知

的。如果激光束的傳輸途徑完全在Raman激光雷達系統接收器的視野中，

則O（z）為恒定值，則有：

（3）

這個結果支持高度Z>Zmin時關于拉曼雷達的重復作用 。

（3）式為得出的主要計算公式。人們根據大量的實際探測數據和設

想理論， 規定了“標準大氣”，一種特性最為接近實際大氣并且與高度

的關系較為平均分布的大氣模型，對于標準大氣的模型，可以得出大氣密

度在高度z上得表達：

表達式中P0為的海平面上的標準大氣密度P0=2.5×1019/cm3，

H=8.3km，故可以得出N（z）=78%P（z）。N為散射體的數密度，在標準大

氣條件下，N=2.687×1019mol/cm3，n=1.000278。

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5 結束語

根據Raman激光雷達系統對大氣氣溶膠消光系數的探測實驗和計算過

程，可以得出Raman激光雷達系統在這方面的一些優缺點。

（1）優點：Raman激光雷達可以對氣溶膠的空間垂直分布有較

高精度的測量，并且有較好的探測距離，文中源數據的空間分辨率為

150m，這在探測氣溶膠含量和對其消光系數的計算過程中提供了較為精準

的數據，且測量出的消光系數精度也較高，可達到10-4～10-5/m，其精度

也是非常準確的。Raman激光雷達系統的時間分辨率也較高，探測數據的

頻率較高。這樣總的來說Raman激光雷達系統具有很好的時空分辨率。

（2）缺點：拉曼信號非常的微弱，信噪比很小。所以我們一般在夜

晚進行實驗，但往往還是會受到其他波長的噪聲影響，此時通常使用濾光

片去其他波長的噪聲。

希望以上資料對你有所幫助，附勵志名言3條：

1、常自認為是福薄的人，任何不好的事情發生都合情合理，有這樣平常

心態，將會戰勝很多困難。

2、君子之交淡如水，要有好脾氣和仁義廣結好緣，多結識良友，那是積

蓄無形資產。很多成功就是來源于無形資產。

3、一棵大樹經過一場雨之后倒了下來，原來是根基短淺。我們做任何事

都要打好基礎，才能堅固不倒。

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