气溶胶激光雷达在大气环境监测中的应用

气溶胶激光雷达在大气环境监测中的应

用

李佳

关键词：气溶胶激光雷达；颗粒物；大气环境监测；车载激光雷达

引言

自改革开放以来，我国工业发展水平逐渐上升，人们由于过于追求生活水平

质量而忽略了生态环境的保护，导致大气污染破坏严重，对人们生活和健康产生

极大威胁。若想解决大气污染所带来的问题，就必须从大气污染主要的根源入手，

制定合理的对策及方案，在不耽误人们正常工业生产和发展的同时也能有效整治

大气污染给人们生活所带来的影响和威胁，为人类赖以生存的环境提供保障，实

现工业和大气生态环境的可持续发展。

1环境监测的运用范围以及概念

系统接收，经反演确定气溶胶分布特征。激光雷达的主要构成包括激光发射单元、

接收光学单元、后继光学单元、信号探测与采集单元、运行控制单元等，其中激

光发射单元包括激光器和发射光学元件，接收光学单元多采用望远镜。激光雷达

按运载平台可分为地基固定式、车载式、机载式和星载式，以地基固定式和车载

式为主。目前应用广泛的气溶胶（颗粒物）激光雷达包括微脉冲激光雷达、双波

长激光雷达和多波长激光雷达等。由于对激光雷达的称呼未规范，气溶胶激光雷

达或颗粒物激光雷达一般也简称为激光雷达。

3我国大气污染现状

我国近年来由于工业生产发展规模迅速，消耗能源数量巨大，再加之我国由

于工业水平还有一定欠缺，大多数使用的是煤炭能源，导致在工业生产中产生了

大量废气排放，对大气造成了一定污染。煤炭能源燃烧所产生的废气含有大量二

氧化碳等有害气体，对人们生活和生存环境都有着严重的威胁。因此，我国对工

业生产使用能源及废气排放处理迫在眉睫。大气污染环境监测分类大气污染中的

主要物质是有害气体和颗粒组成的，因此对大气污染环境监测可以分为以下四种：

（1）生物监测。生物监测是指在被污染地区通过植物与其空气接触进行对空气

质量的监测；（2）物理监测。物理监测是在监测大气情况时使用了一些监测设

备，利用这些专业机器可以精确监测结果并保持科学性。目前物理监测是最常用

区布点法的规律一般可以将整个监测区域分成重工业区、农业区、商业区、生活

区、教育区等，功能区划分的越合理则监测点的布置就越容易，重工业区的空气

污染比其他区域严重得多，因此重工业区应该布置更多的监测点，而其他区域则

只需要布置一定数量的监测点即可满足要求。

3.2临近空间环境探测及应用

2011年车载式钠荧光散射多普勒激光雷达研制完成后部署在中国科学院廊坊

临近空间环境野外科学观测研究站进行观测。经过与流星雷达、中频雷达对比，

验证了其可靠性，开展观测研究临近空间重力波活动、钠原子输送、垂直风扰动

等。为了对车载平台子系统进行改造并对激光雷达系统升级，2017年后该激光雷

达转移到北京进行观测。在信号采集时，时间分辨率为1 min，距离分辨率率为

0.077 km。在数据处理分析时，可以根据不同的应用目的，输出不同时空分辨

率的结果。由于钠原子的空间分布不同，不同高度的荧光散射信号强度不同。通

常在92 km左右，荧光强度最大，具有较高的信噪比。当时间分辨率为60 min，

距离分辨率为1 km时，在92 km处钠原子数密度的测量不确定度约为0.1%，

温度的测量不确定度约为0.3 K，风速测量不确定度约为1.0 m/s。

3.3网格布点法

网格布点法指的是大气环境监测人员先将整个监测区域按照纵横两个方向将

其分成多个网格，然后分别在网格周围的点位上布置大气环境监测点，最后在网

络的限制下可以保证网格布点法能够将整个监测区域全部覆盖到，使其满足全面

性布点原则。网格布点法的优势是可以根据各个网格监测点的空气质量结果判断

污染比较严重的网格区域，而且根据网络污染程度即可确定污染中心，这样则可

以制定针对性比较强的大气环境污染治理措施。

3.4信息技术在环境监测的运用

在信息技术时代背景下，云计算技术以及大数据技术的出现，使许多行业成

功转型。而将上述技术应用至环境监测中，能够提升环境监测数据信息统计工作

的效率。由于大数据技术具备数据分析以及爬取等功能，促进了环境监测工作向

现代化、信息化方向发展，降低人工误差。环境监测工作通常具有较长的周期，

而获取的数据也更为庞大。在部分设备落后的地区，信息处理设备已经难以全面

的开展数据分析工作，导致监测过程无法监测到潜在的环境污染现象。因此，只

有提升大数据技术的应用概率，才能够从根源上保障环境监测工作质量。与此同

时，信息技术能够从根源上提升沟通效率，最快速度内解决雾霾等大气污染问题

3.5调整优化产业结构

当前大气环境污染的根源，是大量低技术含量的落后的工业产能。这些落后

的工业产能消耗大量资源、能源，造成严重的空气污染，又无法促进生产力向前

发展。因此，应当继续优化产业布局，严控“两高”行业产能，严格执行“三线

一单”制度，严格限定产业准入类别，明确禁止和限制发展的行业、生产工艺和

产业目录，加大落后产能淘汰和过剩产能压减力度

结束语

激光雷达自20世纪60年代发明后得到快速发展和应用，尤其在大气环境探

测方面，对垂直高空大气探测和重污染天气颗粒物演变的效果较好。目前气溶胶

激光雷达的消光系数、退偏振比等参数使用效果较佳，但大气边界层高度、颗粒

物定量分析等应用有待继续优化。固定式激光雷达探测区域受到局限，激光雷达

走航车能够随时移动，在准确查找污染源方面具有一定的优势，今后应用将更加

广泛。另外，气溶胶激光雷达分析结果较为单一，需要组建雷达网或借助光化学

分析超级站数据进行综合分析

参考文献

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