全 文 ：林业科学研究　2009, 22 (2) : 161～165
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2009) 0220161205
激光雷达沙尘参数提取技术研究
张怀清 , 胡红玲 , 鞠洪波 , 陈永富
(中国林业科学研究院资源信息研究所 ,北京　100091)
摘要 :对激光雷达沙尘天气监测技术进行了研究 ,详细分析了 M ie散射激光雷达气溶胶和沙尘参数计算方法。分
析、设计并用 C#语言开发了用于处理和分析激光雷达回波信号的大气和沙尘参数反演软件系统。利用后向散射激
光雷达 (LB - D200)对北京市 2006年春季沙尘天气进行监测试验 ,通过软件计算气溶胶参数 ,计算结果与其他监测
结果相符。结果表明 :通过退偏振系数可以计算出大气气溶胶中沙尘含量 ,后向散射激光雷达在沙尘天气沙尘的垂
直分布探测中具有优势。
关键词 :激光雷达 ;沙尘 ;气溶胶 ;消光系数 ;气溶胶光学厚度
中图分类号 : S771. 8 文献标识码 : A
收稿日期 : 2008212215
基金项目 : 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金课题“地基激光雷达沙尘参数反演技术研究 ( R IFR ITZYZ2007007) ”;国家
“十一五”科技支撑课题“综合监测技术体系集成与应用示范 (2006BAD23B06) ”
作者简介 : 张怀清 (1973—) ,男 ,湖南宁乡人 ,副研究员 ,硕士生导师 ,主要从事林业可视化模拟技术与湿地资源监测技术研究
Study on M on itor ing Techn iques of Sand and D ust
Param eters Using L idar System
ZHANG Huai2qing , HU Hong2ling , JU Hong2bo , CHEN Yong2fu
(Research Institute of Forest Resource Information Techniques, CAF, Beijing　100091, China)
Abstract: In this paper, the L idar dust events monitoring techniques were studied. The aerosol and dust parameters
and calculating using M ie scattering L idar were detailed analyzed. A software of aerosol and dust parameters
calculating system was also analyzed, designed and developed using C # language which can dispose and analyze
echo signal of L idar. The backscattering L idar (LB2D200) was used to monitor sand and dust weather at Beijing in
sp ring of 2006, The authors calculated aerosol parameters using developed software, and the results were
coordinated with other monitor method. The result showed that the dust contents could be calculated by the
depolarization parameters and backscattering L idar has the advantage of detecting vertical structure of the dust layer.
Key words:L idar; sand and dust; aerosol; extinction coefficient; aerosol op tics thickness
我国是沙尘天气多发的国家 ,沙尘天气对人类
的生产生活带来重大的危害。沙尘天气监测的方法
有很多 ,其中后向散射激光雷达 (Backscatter L idar)
具有分辨率高、抗干扰能力强等优点 ,能够连续探测
大气边界层中沙尘的光学特性和沙尘的时空分布 ,
是探测大气气溶胶的有效并可靠的手段 [ 1 - 2 ] ,为我
国风沙灾害沙尘气溶胶的物理、化学、光学特性以及
沙尘输送的物理过程研究提供新的技术方法 ,有助
于人们深入了解风沙灾害的运动过程和原理 [ 3 ] ,分
析沙尘的起源、路径和影响范围。国外从 20世纪 30
年代就开始对沙尘暴的时空分布、成因、结构、监测
和防治对策等方面开展了相关研究 ,并应用激光雷
达对沙尘天气开展了监测和预报 ,如欧洲建立了激
光雷达监测网络 ,用于实时监测和预报欧洲沙尘天
气的活动情况。由于大气气溶胶成分的复杂性 ,在
激光雷达沙尘监测方面 ,多为通过大气气溶胶浓度
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 22卷
的探测进而分析其中沙尘气溶胶的含量 [ 4 - 5 ] ,从而
得到沙尘参数反演的方法。本研究在对大气气溶胶
参数提取的基础上 ,利用退偏振研究沙尘参数 (沙尘
光学厚度、沙尘空间结构、沙尘浓度等 )的反演方法 ,
分析沙尘天气的空间结构及其变化 ,并开发用于处
理和分析激光雷达回波信号的大气和沙尘参数反演
软件系统。
1　激光雷达沙尘监测方法
1. 1　基本原理
大气探测激光雷达主要由 3个部分组成 :脉冲
激光器、接收望远镜、光电探测器。脉冲激光器向空
中发射激光脉冲 ,该激光脉冲在向上传播的过程中 ,
不断地与大气中的气溶胶粒子相互作用。一旦向上
传播的激光脉冲进入接收望远镜的视场 ,则激光与
大气物质相互作用产生的回波将被接收望远镜接
收 ,经信号检测和处理后即可得到大气探测激光雷
达回波信号。激光光束与大气物质相互作用而产生
回波信号是大气探测激光雷达进行大气探测的关键
所在。
激光与大气物质的相互作用机制有许多
种 [ 6 - 7 ]。主要包括 : M ie散射、Rayleigh散射、Raman
散射、共振荧光和吸收。其中 M ie散射是大气中的
各种固态或液态的气溶胶粒子 ,与激光的相互作用
出现的散射情况。沙尘气溶胶与激光光束产生的相
互作用主要为 M ie散射 ,因此主要采用解 M ie散射
方程来进行沙尘气溶胶参数的计算。
1. 2　气溶胶参数计算
1. 2. 1　气溶胶消光系数
M ie散射激光雷达方程为 :
P ( Z ) = ECZ - 2β( Z ) exp [ - 2 ∫
Z
0
σ ( Z′) dZ′]　 (121)
　　式中 , P ( Z )为激光雷达接收到的高度为 Z处的
大气后向散射回波信号的能量 , E为激光雷达的发
射能量 , C为雷达常数 ,β( Z )为大气后向散射系数 ,
σ ( Z )为大气消光系数。此方程有两个未知量为β
( Z )和σ ( Z ) ,两者都随距离变化而变化 [ 8 ]。求解
M ie散射激光雷达方程的常用方法有 Collis斜率法 ,
Klett方法和 Fernald方法。Collis斜率法的前提是假
设大气均匀分布 ,但通常大气分布并不均匀。在这
种情况下 ,消光系数σ ( Z )和后向散射系数β( Z )是
高度 Z 的函数。因此 ,常采用 Klett算法来进行
求解。
Klett方法 :
首先假设 :
β = C0σk (122)
　　式中 , C0 为常数 , k取决于激光雷达的波长与气
溶胶的性质 , k的取值范围通常为 0. 67～1。
将上式代入 (121)式可得 ,再假设 k为常数 ,并
将方程优化得到 :
σ ( Z ) = exp [
(S ( z) - Sm ) / k ]
{σ- 1m + 2k ∫
Zm
Z
exp [ (S ( z) - Sm ) / k ]dZ′}
(123)
　　式中 , Zm 为选定的参考高度。σm 为选定高度
上的消光系数。这两个值确定后就能求得参考高度
Zm 以下的各高度的消光系数。
确定σm 值的方法有两种 :
方法 1:
当光学厚度较大时 ,相应的σm 可以利用斜率法
作出简单的近似估算 ,即 :
σm ≈ 12
(S0 - Sm )
( Zm - Z0 )
(124)
　　方法 2:
对于浑浊的大气 ,假定在距离范围 ( Z0 , Zm )的
某一个子区间 ( Zb , Zm )内消光系数 σ近似为一常
数 ,则可以利用稳定解对σm 作一个较为精确的估
计 ,即 :
σm ≈
exp [ (Sb - Sm ) / k ] - 1
2
k ∫
Zm
Z b
exp [ (S ( z) - Sm ) / k ]dz′
(125)
1. 2. 2　气溶胶后向散射系数
β( z) = L ida rR a tio ×σ ( z) k (126)
　　式中 ,β( z)为后向散射系数。σ ( z)为消光系
数。L idarR atio为激光雷达比 ,取值在 20～100之
间。 k为后向散射比 ,取值在 0. 67～1之间。
1. 2. 3　气溶胶光学厚度 　将消光系数σ随高度进
行积分 ,能得到高度 Z1 至高度 Z2 之间的气溶胶光
学厚度 (AOT) :
τ( Z1 - Z2 ) = ∫
Z　2
Z 1
σ ( Z′) dZ′ (127)
1. 3　空气分子参数计算
1. 3. 1　空气分子消光系数 　大气消光系数是由气
溶胶分子的消光系数σ1 和空气分子的消光系数组
成σ2。空气分子的消光系数可由 1976年美国标准
261
第 2期 张怀清等 :激光雷达沙尘参数提取技术研究
大气模式中的大气密度廓线及瑞利散射得出 [ 9 ]。
计算方法如下 :
σ2 ( z) = 3. 96 ×10- 56 ×N ×λ- 4 (128)
σ2 ( z) = 3. 96 ×10- 56 ×λ- 4 ×
NA
μ ×ρ (129)
σ2 ( z) = 3. 96 ×10- 3 × 10. 5324 ×
6. 022
28. 966 ×ρ (1210)
　　式中 , N 为空气分子的数密度 , NA 为 Avogadro
常数 ,ρ为空气分子的质量密度。
1. 3. 2　空气分子后向散射系数 　分子的消光系数
与后向散射系数的关系为 :
β2 ( z) = 38π ×σ2 ( z) (1211)
1. 4　沙尘参数计算
粒子的退偏振率和粒子的浓度无关 ,只与形状
和成分有关 ,激光雷达的退偏振率通常被用做粒子
形态的分类参考 ,因此可以采用退偏振计算方法进
行沙尘参数的计算。
在探测大气时 ,利用激光雷达接收大气后向散
射回波信号的平行分量和垂直分量 [ 10 - 12 ] :
Prp ( z) =
kp pt
z
2 βp ( z) exp [ - 2 ∫
z
0
σp ( z) dz ]　　 (1212)
Prs ( z) =
ks pt
z
2 βs ( z) exp [ - 2 ∫
z
0
(σp ( z) +σs ( z) ) dz ]
(1213)
　　式中 , Pt 为激光发射功率 ,下标 p和 s分别表示
与发射激光偏振方向平行和垂直的两个方向。 Prp
( z)和 Prs ( z)分别表示激光雷达接收到的后向散射
光在高度 z处回波功率的平行分量和垂直分量。 kp
和 ks 分别表示平行分量探测通道和垂直分量探测
通道的系统常数。βp ( z)和βs ( z)分别表示高度 z处
的大气后向散射系数的平行分量和垂直分量。σp
( z)和σs ( z)分别表示高度 z处大气消光系数的平行
分量和垂直分量。
退偏振比δ( z)为 :
δ( z) = Prs
( z) / ks
Prp ( z) / kp
=
βs ( z)
βp ( z)
exp [ ∫
z
0
(αp ( z) - αs ( z) ) dz ]
(1214)
　　对于随机取向的卷云和大气气溶胶粒子 ,αp ( z)
=αs ( z) ,若令 K = kp / ks ,则上式可写为 :
δ( z) = K Prs
( z)
Prp ( z)
=
βs ( z)
βp ( z)
(1215)
　　假定沙尘的退偏振为δ1 ,大气污染物气溶胶的
退偏振为δ2。如果测得的退偏振为 δ,那么散射强
度中沙尘比例 R可由下式求得 [ 12 ] :
R = [ (1 - δ′2 )δ - δ′2 ] / [ (δ′1 - δ′2 ) (1 +δ]
(1216)
　　式中δ′1 =δ1 / (1 +δ1 ) , ′2 =δ2 / ( 1 +δ2 ) ,δ1 和δ2
为长期观测的经验数据求得 ,δ1 = 0. 35,δ2 = 0. 05。
1. 5　能见度计算
大气能见度与消光系数的基本关系为 [ 12 - 13 ] :
ν = - lnε/σ (1217)
　　式中 ,υ为能见距离 ,σ为大气消光系数 ,ε为人
眼的亮度对比感阈。通常情况下正常人眼的平均亮
度对比感阈ε = 0. 02。将ε值代入 ( 1217)式 ,即得
能见度方程 :
νk = - 3. 912 /σ (1218)
　　根据上式能够求得大气能见度 ,可判断沙尘天
气的种类。
2　激光雷达沙尘参数反演系统开发
系统采用 C#语言开发激光雷达沙尘参数反演
系统软件 ,该系统主要分为 3个部分 :数据管理、数
据分析、结果显示输出 (图 1)。
(1)数据管理 :后向散射激光雷达获取的回波
信号都是以 RMyyMddhh. mm s为文件名存储的特殊
的文件格式。数据管理包括回波信号的获取、数据
存储、数据读取、数据导入导出等功能。
(2)数据分析 :首先是要对读取出来的基本信
息进行计算 ,得到模拟信号和光子计数信号。然后
分别演算激光雷达回波信号的范围修正信号、消光
系数、后向散射系数以及气溶胶的光学厚度等。根
据退偏振比计算沙尘占大气气溶胶的比例 ,得到沙
尘参数的消光系数、后向散射系数等。
(3)结果显示输出 :对数据读取、分析的结果以
不同形式显示或输出。包括图表、表格、图形等。
3　激光雷达监测系统试验
3. 1　观测仪器
该研究采用的是由希腊 Raymetrics S. A. 生产的
后向散射激光雷达 (LB2D200: 532 nm波段 )。该仪
器能够垂直监测大气中的沙尘情况 ,包括 0. 1～20
km高空大气气溶胶光学参数、气溶胶分层、沙尘分
层、沙层边界、沙层高度、大气结构等指标。本研究
利用该仪器在北京市对 2006年春季的典型沙尘天
气进行了连续观测。
361
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 22卷
图 1　激光雷达参数反演系统数据流程图
图 2　2006204210至 2006204211的消光系数
3. 2　结果分析
以 2006年 4月观测的结果为例 :从 2006年 4月
10日到 4月 11日 ,气溶胶的消光系数集中在 500～
1 000 m范围内。到 10日的 20: 00时 ,气溶胶逐渐上
升至 2 500～3 000 m范围。4月 11日凌晨在 8 000～
9 000 m高空出现过气溶胶层。2006年 4月 10日
AOT逐渐增大到 2. 5,然后 2006年 4月 11日开始下
降。气溶胶光学厚度 4月 10日开始逐渐增大到 2. 5,
持续一段时间后到 4月 11日开始逐渐下降 ,到 4月
12日凌晨最低降至 0. 3左右。2006年 4月 10日至
11日 , Angstrom波长指数α在 0. 4～0. 55之间。到
2006年 4月 12日下降到 0. 4以下 ,最低达到 0. 03左
右 (见图 2和图 3)。激光雷达监测结果与中国科学
院大气物理所的太阳光度计分析结果相符 (见图 4) ,
同时 ,后向激光雷达在实现沙尘天气沙尘的垂直分布
结构的观测中表现出明显的优势。
图 3　2006204210至 2006204211的 AOT
图 4　2006年 4月 AOT(数据来源 :中国科学院大气物理所 )
4　结论与讨论
(1)本文通过运用 Klett方法进行解算 ,分析、设
计、开发了激光雷达参数反演系统。通过软件对后
向散射激光雷达 LB - D200获取的回波信号进行分
析。利用 Klett方法能够计算得到原始信号、消光系
数和后向散射系数 ,通过对消光系数在一段距离内
进行积分能够得到当时的气溶胶光学厚度。而气溶
胶光学厚度是反应沙尘天气程度的重要指标 ,后向
散射激光雷达能实现沙尘天气大气气溶胶的垂直分
布探测。
(2)退偏振系数是由大气回波信号的平行分量
和垂直分量计算得到 ,根据退偏振系数比能够判断
气溶胶中沙尘粒子的比例。本研究在数据获取的程
序中设置了偏振模式为平行和垂直进行测量 ,分别
得到了回波信号的平行分量和垂直分量。如果平行
分量和垂直分量值的曲线相同 ,则表现为无沙尘。
通过退偏振系数的计算可以分析大气气溶胶中沙尘
气溶胶的含量。
461
第 2期 张怀清等 :激光雷达沙尘参数提取技术研究
(3)通过激光雷达监测结果与太阳光度计的监
测结果进行对比分析 , AOT越大 ,表示大气污染越严
重。气溶胶的光学厚度是由不同成分的气溶胶粒子
决定的 ,仅通过 AOT数据不能判断出是否为沙尘气
溶胶。因此 ,还需要用到 Angstrom 波长指数 α。α
取值在 0～2之间 ,值越小 ,气溶胶的粒径越大 ,沙尘
粒子所占的比例越大。通过α值与后向散射激光雷
达监测结果进行对比 ,两者具有很好的一致性。
(4)使用激光雷达进行沙尘监测是单点进行
的 ,测量的数据仅反映该测量点的沙尘气溶胶状态。
虽然测量的精度很高 ,而且反映该点大气结构随时
间的变化状况 ,但是却不能监测大范围的沙尘天气 ,
因此需要建立覆盖沙尘起源、传播和影响地区的激
光雷达沙尘监测网络 ,从整体上了解沙尘的起源、运
动变化和传播影响 ,进而开展沙尘天气预报和预警。
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