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一种水平探测荧光激光雷达系统常数标定方法.docx
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一种水平探测荧光激光雷达系统常数标定方法.docx
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摘要
水平探测荧光激光雷达是观测大气有机气溶胶的有效工具,系统常数的标定是利用荧光回
波信号反演有机气溶胶浓度的关键。提出了一种基于荧光-米回波信号强度比的水平探测荧
光激光雷达系统常数标定方法。该方法利用水平探测的荧光-米回波强度比和粒子计数器定
点测量的气溶胶浓度数据来获得激光雷达的系统常数,进而减小系统几何因子的影响。在
仿真计算中,将所提方法与传统标定方法进行对比,验证了所提方法的精度与稳定性。最
后,利用一台水平近场探测的荧光-米散射双通道激光雷达进行实际标定实验,验证了所提
方法的可行性和有效性。结果表明,所提方法可以较好地减小几何因子对标定精度的影
响,并具有更好的稳定性。
Abstract
Horizontal detection fluorescence lidar is an effective tool to observe atmospheric organic
aerosols, and the calibration of its system constants is the key to obtaining the
concentration of organic aerosols with fluorescence echo signals by inversion. A
calibration method for the system constants of horizontal detection fluorescence lidar
based on the fluorescence-Mie scattering echo signal intensity ratio is proposed. The
proposed method uses the fluorescence-Mie scattering echo signal intensity ratio
attained by horizontal detection and the aerosol concentration data measured by the
particle counter at fixed points to obtain the system constants of the lidar, and thereby
reduce the influence of the system geometry factor. The accuracy and stability of the
proposed method are verified by a comparison with the traditional calibration method in
the numerical calculation. Its feasibility and effectiveness are proved by a practical
calibration experiment with a fluorescence-Mie scattering dual-channel lidar for horizontal
near-field detection. The results show that the proposed method not only can effectively
reduce the influence of the geometrical factor on calibration accuracy, but also offers
better stability.
1 引言
有机气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分,其种类繁多。一些有机气溶胶会给人的健康和
正常生活带来很大的隐患
[1]
,比如细菌、病毒能够在大气中繁殖并传播,其存活时间越
长,危害性越大
[2]
。荧光激光雷达能够对有机气溶胶进行高效、实时的探测,且经过标定
后,其准确性也可以得到保证,是目前常见的监测有机气溶胶的方案
[3]
。
在使用荧光激光雷达探测有机气溶胶时,为了更精确便捷地实现浓度探测,需要建立起回
波信号和气溶胶浓度间的对应关系,将其中的常系数称为系统常数。目前,国内外标定水
平探测荧光激光雷达系统常数的最常用方法是通过荧光通道信号强度和粒子浓度的线性关
系进行标定,主要思路有两种。一种思路是利用粒子计数器辅助,建立荧光回波强度和粒
子计数器计数结果的线性关系来实现标定,如:Shoshanim 等
[4]
在距激光雷达 170 m 的
一个 3 m 长的腔室内,使用一个带有干燥装置的气溶胶发生器生成气溶胶云,通过粒子计
数器记录气溶胶浓度随时间变化的数据,并将数据与激光雷达接收到的荧光信号强度进行
线性回归分析,进而标定系统;Wojtanowski 等
[5]
也进行了类似的工作。另一种思路是已
知样品浓度,建立它与荧光回波强度的线性关系来实现标定,比如 Stoyanov 等
[6]
。类似
地,北京理工大学激光雷达实验室通过验证两个荧光通道的回波信号强度与喷发的色氨酸
溶液浓度之间存在良好的线性关系,对系统常数进行了标定
[7]
。这种标定方法步骤简便、
精度良好,但在标定过程和后续使用中易受到系统几何因子的影响,对系统的稳定性要求
较高。对于这种问题,Simard 等
[8]
在荧光激光雷达上加装氮气拉曼通道,通过一台粒子
计数器记录样品气溶胶浓度,对气溶胶浓度与激光雷达接收到的荧光-氮气拉曼信号强度比
进行线性回归分析,进而实现系统的标定。这种标定方法通过信号比的形式消减系统几何
因子的影响,但由于拉曼信号的强度比荧光信号强度小三个数量级左右,故需要对信号进
行较长时间的累加积分,无法与荧光信号同步探测,这就导致其标定精度受到影响
[8]
,而
且为了保证探测效果,拉曼通道需要噪声更低、灵敏度更高的探测器,对器件性能的要求
更高。
本文提出了一种基于荧光-米回波信号强度比的系统常数标定方法,利用荧光信号-米散射
信号强度比,消减系统几何因子对标定精度的影响,并通过弹性后向散射系数加以修正,
来实现系统常数的标定。同时,所提方法减小了后续使用中机械振动、工作环境改变和光
路失调等因素导致的几何因子变化所引入的探测误差。通过在仿真计算中,与传统标定方
法进行对比,验证了所提方法的精度和稳定性。通过对一台水平近场探测激光雷达进行实
际标定实验,验证了所提方法的可行性和有效性。
2 基本原理
根据激光雷达方程,系统接收到的回波光子数
[9]
可以表示为
N(z)=k0z2ξ(z)T(λ,z)β(z)Nz=k0z2ξzTλ,zβz,(1)
式中:k0k0 为与系统硬件参数相关的常数;z 为探测距离;ξ(z)ξz 为系统几何因子;
T(λ,z)Tλ,z 为消光损耗引入的大气透过率;β(z)βz 为后向散射系数。荧光通道大气透过
率 Tc(λ,z) Tcλ,z 和米散射通道大气透过率 Te(λ,z)Teλ,z 的表达式为
{ Tc(λ,z)=exp{−∫z0[αm(λ0)+αa(λ0,z)+αm(λc)+αa(λc,z)]dz}Te(λ,z)=exp{−2∫z0[αm(
λ0)+αa(λ0,z)]dz} Tcλ,z=exp-∫0zαmλ0+αaλ0,z+αmλc+αaλc,zdzTeλ,z=exp-
2∫0zαmλ0+αaλ0,zdz,(2)
式中:λ0λ0 为出射激光波长; λc λc 为激发荧光中心波长;αm(λ)αmλ 为大气分子消光系
数,在水平探测情况下,可以近似认为它是一个不随距离变化的定值;αa(λ,z)αaλ,z 为气
溶胶分子消光系数,它包含大气气溶胶消光和目标气溶胶消光两部分。荧光通道后向散射
系数 βc(z)βcz 和米散射通道后向散射系数 βe(z)βez
[10-11]
的表达式为
{βc(z)=Nbio(z)Scβe(z)=βm(z)+βa(z)+βac(z) βcz=NbiozScβez=βmz+βaz+βacz ,
(3)
式中:Nbio(z)Nbioz 为有机气溶胶粒子数密度;ScSc 为有机气溶胶粒子的荧光后向散射
截面
[11]
;βm(z)βmz 为大气分子后向散射系数;βa(z)βaz 为大气气溶胶粒子后向散射系
数;βac(z)βacz 为待测有机气溶胶后向散射系数。
通过式(1)~(3)可以得到荧光-米散射回波信号比的表达式,即
Rce(z)=Nc(z)Ne(z)=k1exp{k2∫z0[βa(z)+βac(z)]dz}βe(z)βc(z)Rcez=NczNez=k1expk2∫0zβaz+βa
czdzβezβcz,(4)
式中:k1k1 是一个与系统两通道差异相关的常数,它的具体测定方法在文献[9]中有详
细介绍;k2=Sa[(λc/λ0)−α−1]k2=Saλc/λ0-α-1,其中
Sa=αa(z)/[βa(z)+βac(z)]Sa=αaz/βaz+βacz 为气溶胶消光后向散射比,α 为 Angström
指数
[12-13]
,它反映了大气中气溶胶粒子的尺度。
在近场探测的情况下,两通道气溶胶消光系数 αa(λc,z)αaλc,z 与 αa(λ0,z)αaλ0,z 差异并不
是很大,所以可将 exp{k2∫z0[βa(z)+βac(z)]dz}expk2∫0zβaz+βaczdz 这一项并入系统两
通道差异常数 k1k1 中。当系统探测的目标气溶胶确定后,其荧光后向散射截面 ScSc 也可
以作为一个确定的常数,此时式(4)可以简化为
Nbio(z)=βe(z)kRce(z)Nbioz=βezkRcez,(5)
式中:k=k1exp{k2∫z0[βa(z)+βac(z)]dz}Sck=k1expk2∫0zβaz+βaczdzSc 为系统常数,
是一个与目标有机气溶胶散射性质和系统硬件参数相关的常数。
水平近场探测时若可以直接测量目标有机气溶胶浓度,则可以求出系统常数 kk,但在实际
标定实验中,将整条探测路径上的气溶胶浓度同时测出是不现实的,故需要固定粒子计数
器位置,用激光雷达和粒子计数器同时记录探测结果。利用 Fernald 算法
[14]
求出弹性后
向散射系数,将同一时间的粒子计数结果 Ncount(z,t)Ncountz,t、激光雷达在粒子计数器位
置的回波信号和该位置弹性后向散射系数 βe(z,t)βez,t 代入式(6)中计算得到时间为 tt
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