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拉曼氣溶膠激光雷達探測原理

光波的物理量可由強度、波長（頻率）、相位、偏振態(tài)及指向性等來表示。光與物質(zhì)相互作用主要表現(xiàn)為吸收及散射現(xiàn)象，按作用機理可以分為氣溶膠等顆粒物引起的米氏散射，大氣分子及原子等引起的瑞利散射、拉曼散射、熒光及共振散射和吸收等現(xiàn)象。通過對各種散射機理及效果進行分析，可以探測物質(zhì)的物理及化學(xué)信息。大氣探測激光雷達工作原理與微波雷達相似。一般采用脈沖激光器作為發(fā)射源，向大氣中發(fā)射一束具有高指向性、高能量的窄脈沖寬度的激光束，米散射激光雷達，通過望遠鏡收集大氣中物質(zhì)產(chǎn)生的后向散射光，并對散射光進行光譜分析，剔除雜散光信號，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后獲得電信號，由計算機進行數(shù)據(jù)采集、信號分析及數(shù)據(jù)反演即可得到所需大氣參數(shù)或信息。

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拉曼氣溶膠激光雷達

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首先明白一下激光雷達，激光雷達是以激光為光源，通過探測激光與被探測無相互作用的光波信號來遙感測量的．使用振動拉曼技術(shù)進行測量的激光雷達技術(shù)即為拉曼激光雷達，主要用于大氣遙感測量。拉曼激光雷達屬于遙感技術(shù)的一種。

大氣拉曼氣溶膠激光雷達

大氣氣溶膠的氣候強迫是目前氣候變化因素中不確定性大的一項。氣溶膠的光學(xué)特征直接影響大氣輻射過程，也可以通過在微物理過程中與云-降水的相互作用間接影響輻射過程。有必要對氣溶膠光學(xué)和微物理參數(shù)進行實時連續(xù)監(jiān)測，降低氣溶膠輻射強迫在天氣和氣候模式中的不確定性。本研究利用多波段Raman激光雷達(355、532和1064nm)對北京上空氣溶膠進行了連續(xù)觀測，建立了光學(xué)參數(shù)的自動算法[1，米散射激光雷達總代理，2]，米散射激光雷達多少錢，并在此基礎(chǔ)上提出了環(huán)境氣溶膠微物理參數(shù)的3波段Raman激光雷達反演算法[3，4]。實現(xiàn)了對北京上空氣溶膠光學(xué)和微物理參數(shù)垂直分布的實時監(jiān)測反演。2016年12月至今，在北京大學(xué)(39.99N，116.31E)校內(nèi)樓頂，利用北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)系及國家重點實驗室的一臺多波段Raman激光雷達，對北京上空氣溶膠進行了連續(xù)觀測。利用觀測得到的米散射和Raman散射信號，建立了355、532和1064nm后向散射系數(shù)及355nm消光系數(shù)的自動反演算法，得到了北京地區(qū)上空氣溶膠光學(xué)特征。根據(jù)6S輻射傳輸模式中氣溶膠模型，假設(shè)北京上空氣溶膠由黑炭型(Soot)、可溶型(Water Soluble)和沙塵型(Dust)組合構(gòu)成，各類型氣溶膠均假設(shè)為對數(shù)正態(tài)分布;利用T-matrix米散射模型，計算三種氣溶膠的光學(xué)參數(shù)(355、532和1064nm后向散射系數(shù)和355nm消光系數(shù))制作查算表，查算表變量包括三種氣溶膠數(shù)濃度(N1，N2，N3)和可溶性氣溶膠中心粒徑(rg)。對比光學(xué)參數(shù)的觀測值和模擬值，得到三種氣溶膠數(shù)濃度和可溶型氣溶膠中心粒徑的優(yōu)解，進而計算氣溶膠微物理參數(shù)(有效半徑、表面積濃度、體積濃度和復(fù)折射指數(shù))，個例和統(tǒng)計分析表明結(jié)果合理。

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