便携式激光云高仪气溶胶垂直廓线探测研究

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　　摘要

　　大气气溶胶垂直廓线反映颗粒物在不同高度的分布特征，是空气质量研判、边界层分析的重要基础数据。便携式激光云高仪以脉冲激光雷达为核心，除云底高度观测外，还可反演大气气溶胶后向散射廓线。本文阐述便携式激光云高仪探测气溶胶垂直廓线的基本原理，介绍数据反演流程，结合野外观测试验分析探测性能，讨论设备固有局限与误差来源，为机动式气溶胶垂直结构观测提供技术参考。

　　1 引言

　　传统气溶胶垂直观测手段包括大型地基激光雷达、探空气球等。大型激光雷达体积大，部署成本高，难以实现多点机动采样;探空观测为一次性投放，时间连续性不足。便携式激光云高仪重量轻、架设便捷，自带独立供电，适合野外应急、区域流动采样。设备原始回波信号不仅包含云层信息，同时记录大气气溶胶粒子的散射信号，经过数据处理后可以提取气溶胶垂直廓线。利用便携式设备开展气溶胶廓线探测，能够弥补大型观测设备机动能力不足的短板，为大气污染溯源、区域环境监测提供补充观测手段。

　　2 探测基本原理

　　便携式激光云高仪垂直向上发射脉冲激光，光束在大气传播过程中，与空气分子、气溶胶颗粒发生米散射与瑞利散射。接收单元按距离门采样回波信号，得到后向散射信号随高度变化的原始廓线。气溶胶浓度越高，后向散射信号越强;气溶胶稀薄的高空区域，回波强度明显减弱。

　　原始回波信号包含距离衰减、大气消光、系统常数等影响项，不能直接代表气溶胶分布。通过距离平方校正、分子散射扣除，结合雷达方程进行求解，得到气溶胶后向散射系数廓线，以此表征气溶胶在垂直方向上的分布。设备原有算法主要用于云底识别，探测气溶胶廓线时，需要导出原始回波数据，进行离线二次反演。

　　3 气溶胶廓线数据反演流程

　　第一步，原始信号预处理。对回波数据做基线校正，消除电路噪声、日光背景噪声;采用滑动平均滤波，平滑随机波动。利用距离平方校正，消除激光随传播距离增加带来的几何衰减。

　　第二步，大气分子散射模拟。依据同步观测的温压数据，计算大气分子瑞利散射廓线，从总回波信号中剥离分子散射贡献，提取气溶胶散射信号。

　　第三步，廓线反演与质量筛选。利用激光雷达方程反演气溶胶后向散射系数，识别气溶胶层高度与厚度。设置信号信噪比阈值，剔除低信噪比区间无效数据，同时区分气溶胶层与云层回波，防止云滴信号混入气溶胶廓线，造成结果失真。

　　第四步，时序统计。对连续多组廓线进行平均，消除瞬时杂波，得到稳定的气溶胶垂直分布结构。

　　4 野外实测与性能分析

　　在城郊与工业区野外点位开展观测试验。晴好天气条件下，便携式设备能够清晰捕捉近地面气溶胶层，识别气溶胶层顶高度，廓线形态与大型激光雷达观测趋势基本一致，可以反映污染物垂直扩散特征。

　　在轻度霾天气，气溶胶层连续分布，设备可以获取完整低层廓线。当出现厚云、强沙尘时，激光能量被大量粒子衰减，高层信号信噪比快速下降，有效探测高度明显降低;云层回波强度远大于气溶胶，若不做云识别过滤，会污染气溶胶廓线数据。

　　相较于大型激光雷达，便携式设备光学口径偏小，激光器能量有限，高层大气回波信噪比偏低，高层气溶胶探测能力较弱，更适合近地面低层气溶胶廓线观测。设备架设倾斜、镜头积灰，都会改变廓线幅值，带来系统性偏差。

　　5 误差来源与优化措施

　　主要误差来源分为硬件误差、大气干扰与算法误差。硬件方面，光学窗口附着灰尘、水汽会衰减光信号;设备轻微倾斜造成廓线畸变，降低反演精度。大气方面，雾、云、降水粒子会带来额外消光，压缩有效探测高度。算法上，雷达方程反演依赖假设条件，气溶胶消光与后向散射比的选取存在不确定性，引入反演偏差。

　　优化手段：现场观测采用支架固定设备，保证光路垂直，观测前清洁光学窗口;同步采集温湿度、能见度等辅助气象数据，辅助廓线质量判定。反演阶段增加云掩膜算法，自动剔除有云时段数据。多组观测结果做时间平均，降低随机噪声。开展同步比对观测，以大型激光雷达结果为参考，校正便携式设备反演参数。

　　6 结论

　　便携式激光云高仪可实现近地面气溶胶垂直廓线探测，能够机动获取气溶胶层高度、垂直分布特征，适用于污染应急监测、野外流动采样。但受激光器功率、光学口径限制，高层探测能力不足，云、降水环境下数据可用性下降。规范现场架设，增加云信号过滤，优化反演策略后，该设备可作为大型激光雷达的有效补充，为区域大气环境机动监测提供垂直观测数据支撑。