大气臭氧雷达技术方案

1.大气臭氧激光雷达

大气臭氧探测激光雷达采用差分吸收的方法来反演臭氧浓度。该方法的基本原理是利用待测气体的吸收特性测量气体的浓度。系统向大气中发射两个波长非常近的激光束，其中一束激光的波长位于待测气体吸收强的位置，记为λ_on，而另外一束激光波长位于待测气体吸收较弱或无吸收的位置，记为λ_off，若两个波长选择合适，其他气体分子和气溶胶对两束激光的消光和后向散射作用基本相同，则可以根据两个波长的回波信号确定激光共同路径上的待测气体分子的浓度。

选择测量臭氧浓度的波长时，要考虑臭氧的测量精度和测量范围。不仅要求两束激光波长之间有较大的臭氧吸收截面之差，而且必须使瑞利和米散射截面以及其它存在的气体分子(除臭氧外)的吸收差别很小。对于给定的两个测量臭氧的激光波长，最大的探测高度取决于很多因素，如臭氧的吸收截面，测量时臭氧浓度的垂直分布，气溶胶和分子的消光，探测器的灵敏度，可利用的动态范围，激光的输出功率和噪声来源等等。

差分吸收探测原理可参考图 2，激光发射系统同时发射两组波长接近的脉冲激光，其中一束位于臭氧气体的吸收线上：λ_on，另一束位于吸收线之外：λ_off。

差分吸收原理示意图

参考上图，对于不同的探测高度应采用不同的探测波段，266nm的激光对臭氧的吸收很强，可以提供很大的吸收截面，但它在大气中衰减得很快，只能用于低对流层的探测。而280nm以上的波长，在对流层臭氧浓度下吸收较小，可以穿透高臭氧浓度的平流层。因而不同的探测高度采用不同的探测波长对。

分波段探测示意图

266nm激光经过拉曼管中氘气产生受激散射光280nm，295nm，经过扩束器射到大气中与臭氧、气溶胶等发生作用，后向散射光被望远镜接收，得到各波长的信号，反演出大气中臭氧的浓度。

大气臭氧探测激光雷达的系统原理可见下图。

大气臭氧探测激光雷达系统原理图

从激光器出射的266nm激光到达拉曼管，激光经过拉曼管中的D₂产生280nm和295nm的拉曼受激散射光，这些不同波长的光经过扩束器的扩束发射到大气中；在大气中出射的拉曼散射光波与大气中的臭氧、气溶胶等发生作用，有些被吸收，有些被散射，后向散射部分被大口径望远镜所接收，接收到的回波通过光阑后进入到大芯径光纤中，并由光纤导入到高分光能力光谱仪中，经过光谱仪的分光不同波长的光进入到不同的光电倍增管并被发送到到高速数据采集卡中。整个系统由计算机进行控制，由同步控制&数据采集系统控制激光器和高速数据采集卡的采集时间并进行初步的数据处理，之后由计算机进行进一步处理和输出显示。

可结合光化学评估模块，绘制EKMA曲线与臭氧高空数据相结合，综合判断高空臭氧的素原机理。

系统组成

大气臭氧激光雷达系统由发射系统，接收系统，数据采集控制系统，光化学评估模块，四部分组成。产品外观如下所示：

臭氧雷达软件界面

技术参数

整体性能

▲最大探测高度：不小于5公里（与天气状况有关）；

探测灵敏度：不大于3ppbv；

时间分辨率：可设置，最小时间分辨率不大于5min；

空间分辨率：不大于15米；

探测盲区：不大于100米；

发射单元

激光器： Nd:YAG脉冲激光器；

泵浦方式：闪光灯泵浦；

闪光灯使用寿命：不小于1亿次；

▲发射波长：266nm、289nm和316nm；

289nm和316nm波长产生方式：拉曼频移法

脉冲能量：≥60mJ@266nm，≥12mJ@289nm，≥5mJ@316nm。

重复频率（脉冲重复频率）：10Hz；

激光器冷却方式：循环水冷却；

接收单元

▲望远镜口径：≥280mm；

望远镜类型：大口径卡塞格林全反射式望远镜；

光信号传输采用高品质可折弯石英光纤，背景噪音低，系统紧凑、集成度高；

光纤NA<0.15

分光方式：光谱仪分光

高速数据采集卡，数据采集速率不低于20MHz，数据位数不低于16位；

探测器：高灵敏度、低噪声和模块式的光电倍增管套装。

光化学反应因子技术参数

▲TVOC探测模块

测量原理：PID；

测量范围：0-20ppm；

分辨率：10ppb；

▲O₃探测模块

测量原理：电化学

灵敏度：-225～ -550nA/ppm   

反应时间：<45s

分辨率：< 0.015 ppm

量程：0-20 ppm

▲ NO₂探测模块

测量原理：电化学

灵敏度：-175～ -450nA/ppm   

反应时间：<45s

分辨率：< 0.015 ppm

量程：0-20 ppm

▲紫外辐射探测模块

测量范围：UVA/UVB

光谱范围：320～400nm

余弦响应：±5%（太阳高度角30°时）；

灵敏度：<100µV/W.m-2

稳定性:±2%

精确度：＜5%   

信号输出:0～20mV

信号测量范围:0～200W/m2

▲气象要素探测模块

空气温度传感器：测量范围：-50～60℃；准确性：≤±0.2℃；

相对湿度传感器：测量范围：0～100%RH；准确性：≤±3%RH；

风向超声波传感器：测量范围：0～359°；准 确 性：±3°；

风速超声波传感器：测量范围：0～30m/s；准确性：±2%；

大气压力传感器：测量范围：600～1100hPa；测量精度：±0.3hPa (全量程，20℃时)；

软件产品

系统软件分为数据服务端和数据客户端，数据服务端布于本机中，数据客户端可布于本机，也可布于网络中，方便多用户远程查询分析数据；

▲软件包含地图、臭氧浓度时空演变图、臭氧浓度廓线及光化学反应因子数据的基本显示，并展示EKMA曲线；

软件能够全自动运行，可实现原始数据的采集保存，可实现激光器状态监控、系统温湿度监控、异常报警、自动生成系统日志等；

软件具备远程控制功能，可接入监测网络，实现全天24小时无人值守观测；

数据产品包含原始回波信号、信噪比、臭氧浓度和细粒子的消光系数等，数据产品都可采用伪彩色图进行显示，可随时导出特定时间段的数据；

历史数据查询可自定义时间段获取原始回波信号、信噪比、臭氧浓度等数据，同时支持这些数据的随时导出，便于后续数据开发利用；

数据格式：原始数据可选二进制或十进制，数据采用流行的SQL Server数据库存储方式，数据结构清晰完善，便于存储、分析和二次开发；

▲结合光化学反应因子数据，绘制EKMA曲线，同时与臭氧高空数据相结合，综合判断高空臭氧的溯源机理。

工作环境要求

工作温度：10-40℃；

工作相对湿度：≤90%，湿度可远程实时监测、导出；

供电要求：100-240VAC，50-60Hz；

臭氧激光雷达的应用

应用方式

固定式：臭氧激光雷达探测系统可用于固定式观测站。即可安装于监测站房内，进行室内安装，亦可置于室外进行直接观测。

固定式安装图示

车载式：安装于小型监测车。机动灵活、快速应对，可在臭氧污染天气启动加密监测，为监察部门提供臭氧传输方向和时空演变过程的可靠数据支持。

臭氧激光雷达车载式安装实物图

臭氧激光雷达准确性对比分析

臭氧雷达近地面数据与同一点位臭氧分析仪数据对比一致性高

测试地点：河北省预警预报中心

臭氧激光雷达性能测试

臭氧探测信号高度，有效数据大于4000米

臭氧雷达低空数据符合时间段分布趋势

设备连续稳定运行图谱

臭氧雷达160米数据与发布空气站数据比对图谱

臭氧激光雷达EKMA曲线图谱

臭氧激光雷达应用案例

判断生成与消散过程监测

白天臭氧生成

夜间缺少太阳辐射，臭氧停止增加

夜间地面NO消耗臭氧使地面臭氧浓度降低

夜间上部空气降温速度快于地面，热动力作用下气团向上抬升

判断生成与消散过程监测

高空沉降过程清晰监测

判断是否高空输送

夜间无光化学反应，没有臭氧增加的条件，但是高空臭氧团浓度增加

臭氧团来自于外部传输

结合气象条件可判断高空输送来源

判断高空生成的情况

光化学作用下臭氧团在高空生成

判断本地生成的情况

判断白天地面生成臭氧，需要盲区足够低

大气臭氧激光雷达产品配置清单

常用耗材备品备件