大气边界层内气溶胶二维分布的双扫描激光雷达精细探测方法研究

Aiming to detect the inhomogeneous aerosols within the atmospheric boundary layer (ABL) and to retrieve the aerosol extinction and backscatter coefficients in the lidar equation, a novel method for accuracy remote-sensing of aerosol properties based on twin scanning lidars has been proposed. In order to realize the cross detection of the aerosol spatial distribution from the ground to the top of the ABL, the scanning lidar is utilized as the remote sensing tool combined with the cross scanning by the twin scanning lidars, which makes the exact solutions of those two unknown parameters retrievable. The research is focused on the aerosol remote-sensing method using the twin scanning lidars, the retrieval and tracking method of those two unknown parameters and the uncertainties of the retrieval results, and the ultimate goal is to establish a novel theory for aerosol remote-sening using twin scanning lidars and to realize the accuracy remote-sensing of aerosol optical properties within the ABL. The presented method not only solves the problem of overlap function of the lidar system in vertical measurements, but also can realize the fine detection of aerosol at any spectrum from ultraviolet to visible and to infrad by selecting the transmitting laser wavelength. Moreover, it can be applied to the development research on multi-spectral properties of aerosols, which can be used for the theoretical and technical analysis of the aerosol characteristics, such as particle spectrum, index of refraction, shape and so on. The research result will provide the data collection for analyzing the change of regional environment and meteorology.

针对激光雷达方程中大气消光和后向散射双未知参量的求解及大气边界层内水平非均匀气溶胶分布特性的精细探测，提出基于双扫描激光雷达的气溶胶遥感探测新方法。该方法采用扫描激光雷达为遥感探测工具，结合双激光雷达相向交叉扫描探测工作模式，实现对同一空域内的近地表气溶胶全视野剖面的交叉探测,力求获得激光雷达方程中双未知参量的精确解。重点研究双扫描激光雷达的气溶胶探测方法、数学建模与双未知参量的反演、追踪算法以及探测结果不确定性的辨识，以期构建双扫描激光雷达气溶胶精细探测的新理论和新方法，满足大气边界层内气溶胶光学特性参数的精细探测需求。该项目不仅能够解决激光雷达垂直探测中几何重叠因子的失真问题，而且可通过选择不同激光波长的方法实现紫外、可见和红外域任意光谱气溶胶光学特性的精细探测，拓展及丰富了气溶胶颗粒物光谱特性的激光精细探测遥感手段，为分析气溶胶的粒子谱、折射率及形状特性提供理论和技术支持。

为实现大气边界层内水平非均匀气溶胶的全视野探测，提出一种基于双扫描激光雷达的气溶胶精细遥感探测新方法。该方法以扫描激光雷达为遥感探测工具，采用双激光雷达相向交叉扫描探测工作模式，实现对同一空域剖面近地表气溶胶的全视野交叉探测。项目主要开展了四个方面的工作，并取得了一定的研究成果，包括：（1）双扫描激光雷达的气溶胶精细探测方法研究。构建了双扫描激光雷达探测气溶胶的方法模型，分析了双扫描激光雷达进行气溶胶探测时的参数设置问题；（2）双扫描激光雷达的气溶胶光学特性数据反演与追踪算法。通过对交叉扫描区域进行坐标化和网格化处理，网格像素单元的初值预设，以及蒙特卡罗数值逼近的方法，成功对双扫描激光雷达的数据进行了反演，并与多角度方法的数据反演结果进行比较研究；（3）激光雷达探测性能的优化与提高。构建激光雷达数据廓线泊松分布的数学分析模型，分别估算光子计数器的死区时间以修正激光雷达数据的堆栈现象，评估激光雷达数据采集的线性工作区间以进行最佳工作参数设置，拼接模拟数据和光子计数数据以提升激光雷达的有效探测距离，修正模拟数据和光子计数数据的错位现象以提高大气状态信息的表达精度；（4）气溶胶多样性的研究。以扫描激光雷达连续三个月的观测数据，结合HYSPLIT气流后向轨迹模型，分析大气边界层高度和气溶胶消光系数的日月变化特征及气流影响因素，发现南部气流所携带气溶胶比从北部气流来气溶胶的消光要高一倍。然而目前在城市应用双扫描激光雷达进行气溶胶探测存在一定的局限，主要是由于城市化的进程中建筑物会对扫描激光雷达的探测造成一定的困难。本项目主要是从技术角度对双扫描激光雷达的气溶胶探测方法进行阐述，以丰富气溶胶的激光雷达探测理论，并可能将某些研究成果应用于激光雷达系统开发或其它的某些技术方法中。