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南京信息工程大学激光雷达探测气溶胶实验报告姓名：***学号：***********学院：物理与光电工程学院专业：光信息科学与技术二〇一四年十二月十二日摘要：大气气溶胶影响着天气和气候的变化，通过用激光雷达对水平大气中的气溶胶进行连续观测，得到大气气溶胶浓度的高度分布数据，用Klett法反演和斜率法得到了气溶胶消光系数数值并利用MATLAB程序用计算机对所得实验数据快速方便地直接得出出测量结果和图示。
关键词：气溶胶；激光雷达；探测；Klett反演算法；斜率法；消光系数；MATLAB前言大气气溶胶是指悬浮在大气中直径为0.001—100μm的液体或固体微粒体系。
对流层气溶胶的形成与地球表面的生态环境和人类活动直接相关。
地面扬尘、沙尘暴、林火烟灰、花粉与种子、海水溅沫等是对流层气溶胶的自然源,人工源则是由工业、交通、农业、建筑等直接向对流层中排放的气溶胶粒子。
同时,对流层大气中许多气态污染物的最终归宿是形成气溶胶粒子,如二氧化硫、氮氧化物、碳氢化合物等通过气粒转化生成气溶胶粒子。
这些气溶胶粒子通过吸收和散射太阳辐射以及地球的长波辐射而影响着地球大气系统的辐射收支,它作为凝结核参与云的形成,从而对局地、区域乃至全球的气候有着重要的影响。
对流层气溶胶粒子对激光的吸收和散射作用使它成为激光大气传输的重要消光因子。
激光雷达为大气气溶胶探测研究提供了有力的工具。
数十年来,激光技术的不断发展为激光雷达大气气溶胶探测提供了所需要的光源。
另一方面,信号探测和数据采集及其控制技术的发展使激光雷达在大气气溶胶的探测高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有全面的优势,是其它探测手段不能比拟的。
本文介绍该激光雷达的总体结构、技术参数及其工作原理,同时给出了大气气溶胶的垂直消光系数廓线以及典型测量结果的分析和讨论。
1，研究的目的大气中，尘埃、烟雾、云团等气溶胶粒子对大气的化学过程、辐射平衡、气候变化乃至人们的日常生活都有着非常重要的影响。
激光雷达测量大气气溶胶的数据处理研究作者：赵云珊陈鹏举杨昭李强来源：《科技视界》2012年第29期【摘要】论文介绍了激光雷达探测大气云和气溶胶的原理及探测系统，主要对探测云和气溶胶的激光雷达数据处理方法进行了较为详细地研究，介绍了云和气溶胶的消光系数及衰减的后向散射系数的反演方法等，并给出了相应的处理结果。
【关键词】激光雷达；气溶胶；大气探测Analysis of Dada Processing for Atmospheric Detection LidarZHAO Yun-shan CHEN Peng-ju YANG Zhao LI Qiang（Department Of Physics and Electronics Lianyungang Teachers College， Lianyungang Jiang Su， 222006）【Abstract】The measured principle of detecting cloud and aerosol Lidar is discribed. The analysis on data processing of cloud and aerosol is researched and the inversion method of extinction coefficient and backscatter coefficient is produced. A example of 24-h continuous observation in gived in detail.【Key words】Lidar；Aerosol；Atmospheric detection0 引言气溶胶粒子是指悬浮在大气中的直径为0.001-10μm的固体或液体粒子，其质量仅占整个大气质量的十亿分之一，但却对大气中的气候变化、云量及云的寿命、光学特性的改变等有着十分重要的影响，通过气溶胶表面的化学反应能影响大气的组成成份，进而影响全球的气候环境。
紫外多波长激光雷达的臭氧和气溶胶同步观测研究紫外多波长激光雷达的臭氧和气溶胶同步观测研究激光雷达是一种通过激光束对大气中的物质进行定量探测的先进仪器。
在大气科学研究中，紫外多波长激光雷达因其高分辨率和高灵敏度而备受关注。
它能够精确探测大气中的臭氧和气溶胶，对于深入了解大气污染物的分布和特性具有重要意义。
本文将探讨紫外多波长激光雷达在臭氧和气溶胶同步观测方面的研究进展和应用前景。
首先，紫外多波长激光雷达通过发射紫外光束，能够在大气中测量到臭氧的浓度和分布。
臭氧是大气层中的一种重要气体，它既是太阳紫外线的吸收者，又是一种强氧化剂，具有重要的气候和环境效应。
通过利用激光雷达的多波长特性，我们可以准确测量不同高度和不同区域中臭氧的分布。
这对于研究臭氧的生成机理、运输规律以及臭氧对大气环境的影响具有重要的意义。
其次，气溶胶是指悬浮在大气中的微小颗粒物。
它们来源于自然和人类活动，包括尘埃、烟雾、工业废气等。
气溶胶对大气辐射传输和云的形成具有重要影响。
紫外多波长激光雷达能够实时测量气溶胶的浓度、粒径和分布。
通过观测气溶胶的变化，可以更好地研究气溶胶的来源、演化过程和对气候变化的影响。
此外，气溶胶也是大气污染物的携带者，研究其分布和传输特性对于环境保护和健康风险评估具有重要意义。
紫外多波长激光雷达的同步观测臭氧和气溶胶的研究已经取得了一系列重要的研究成果。
例如，在研究当地和远程气溶胶传输的过程中，利用激光雷达观测到的气溶胶垂直分布和粒径分布等信息，可以和臭氧的分布进行关联分析，从而揭示气溶胶对臭氧生成和消耗的影响。
此外，通过对比激光雷达观测到的臭氧和气溶胶的时空分布，还能更深入地研究它们之间的相互作用和反馈机制。
未来，紫外多波长激光雷达在臭氧和气溶胶同步观测方面仍有许多挑战和应用前景。
首先，进一步提高激光雷达的分辨率和探测灵敏度，能够更准确地测量臭氧和气溶胶的微小变化。
其次，加强对臭氧和气溶胶之间相互关系的研究，揭示其在大气化学过程中的作用机制。
地基拉曼-米激光雷达气溶胶后向散射及消光系数反演摘要：本文利用地基拉曼-米激光雷达(LM-Lidar)测量气溶胶垂直廓线数据，并通过气溶胶后向散射和消光系数反演，定量分析了气溶胶光学特性和气象条件对气溶胶垂直廓线的影响。
结果表明，LM-Lidar在不同气象条件下的探测效果较好，反演出的后向散射系数和消光系数均在合理范围内。
气溶胶消光系数的空间分布存在明显的季节变化，冬季消光强，夏季消光弱；而后向散射系数则存在明显的日变化，白天偏大，晚上偏小。
在此基础上，本文讨论了气溶胶光学特性与气象因素之间的耦合关系，揭示气象因素对气溶胶辐射强迫效应的影响。
关键词：地基拉曼-米激光雷达；后向散射系数；消光系数；气溶胶；气象条件1. 引言气溶胶是大气中重要的成分之一，在大气辐射传输中具有重要的作用。
气溶胶的光学特性是描述气溶胶对光的吸收、散射和透射情况的物理量，对于准确估算气溶胶辐射强迫效应、探测气溶胶粒径、浓度及其垂直廓线等都有着重要的意义。
地基激光雷达是目前气溶胶探测中广泛使用的一种技术手段。
本文利用地基拉曼-米激光雷达测量气溶胶垂直廓线数据，通过反演气溶胶后向散射和消光系数，研究气溶胶在不同气象条件下的光学特性和空间分布。
2. 实验方法本文使用地基拉曼-米激光雷达对大气垂直廓线进行探测，分别在春、夏、秋、冬四季对同一站点的大气进行连续24小时探测，并根据垂直风速、气温等气象信息将探测数据分为不同气象条件下的数据。
通过利用已有气溶胶光学模型，反演气溶胶后向散射和消光系数。
3. 结果分析通过反演分析气溶胶后向散射和消光系数，可以得到不同气象条件下的气溶胶垂直廓线及其光学参数。
结果表明，在不同气象条件下，LM-Lidar探测效果较好，反演出的后向散射系数和消光系数均在合理范围内。
气溶胶消光系数的空间分布存在明显的季节变化，冬季消光强，夏季消光弱；而后向散射系数则存在明显的日变化，白天偏大，晚上偏小。
通过与实际测定数据进行对比，可以发现本文反演出的气溶胶光学参数与实测数据较为吻合，反演结果可信。
收稿日期：2020-09-14；修订日期：2020-10-15基金项目：山东省重点研发计划(2015GGH301002)；济南市科技局社会民生专项(201807008)作者简介：张文娟(1987-)，女，工程师，硕士，主要从事激光雷达和空气质量预报等方面的研究。
Email:第49卷第S2期红外与激光工程2020年11月Vol.49No.S2Infrared and Laser EngineeringNov.2020气溶胶消光系数反演PM 2.5质量浓度方法研究张文娟*，吕波，孙凤娟，王治非，吕晨，付华轩，李敏，边萌(山东省济南生态环境监测中心，山东济南250101)摘要：2017年11月1日~2018年5月15日在济南市泉城广场空气质量监测点位开展微脉冲激光雷达水平探测，实验期间能见度、常规污染物浓度以及PM 2.5化学组分同步观测，定义能见度仪所在处为参考层处，采用Fernald 方法计算水平气溶胶消光系数，进一步利用线性回归模型建立PM 2.5浓度、消光系数、PM 2.5化学组分之间的关系式，通过趋势比对、相关系数和标准化平均偏差研究该关系式的反演精度。
结果显示：结合能见度仪反演消光系数更为准确；反演的消光系数与PM 2.5质量浓度之间具有较好的正相关关系(相关系数R =0.75)，同时消光系数、PM 2.5质量浓度均与PM 2.5化学组分中的SO 42-、NH 4+、OC 、NO 3-、EC 有较高的相关性，利用线性回归模型建立PM 2.5浓度、消光系数、PM 2.5化学组分之间的关系式，该定量关系式反演的PM 2.5质量浓度与实际监测值在趋势上基本一致，二者相关性较好，相关系数为0.83。
标准化平均偏差为18%，相对偏离程度较小。
关键词：微脉冲激光雷达；能见度；Fernald ；水平消光系数；化学组分；PM 2.5质量浓度中图分类号：X831文献标志码：ADOI ：10.3788/IRLA20200367Research on inversion method of PM 2.5mass concentration by aerosolextinction coefficientZhang Wenjuan *,Lv Bo,Sun Fengjuan,Wang Zhifei,Lv Chen,Fu Huaxuan,Li Min,Bian Meng(Jinan Environmental Monitoring Center of Shandong Province,Jinan 250101,China)Abstract:From November 1,2017to May 15,2018,the micro -pulse lidar level detection was carried out at the Quancheng Square substation in Jinan.During the experiment,the visibility meter,conventional pollutant monitoring and PM 2.5chemical composition monitoring were simultaneously observed.In this experiment,the visibility meter was defined as the reference layer.And the horizontal aerosol extinction coefficient was calculated by using the Fernald method.The relationship among PM 2.5concentration,extinction coefficient and PM 2.5chemical components was established by linear regression model.The inversion accuracy of the relationship was studied by trend comparison,correlation coefficient and standardized mean deviation.The results show that the extinction coefficient is more accurate by combining with visibility meter;the inverse extinction coefficient has a good positive correlation with PM 2.5mass concentration (correlation coefficient R =0.75),and the extinction coefficient and PM 2.5mass concentration are all related to O 42-,NH 4+,OC,NO 3-,EC in PM 2.5chemical components.The relationship among PM 2.5concentration,extinction coefficient and chemical components of PM 2.5is established by0引言大气气溶胶是由悬浮在大气中的多种固体或液体微粒共同组成的多相体系[1]。
激光雷达测气溶胶消光系数实验研究摘要：大气气溶胶影响着天气和气候的变化，通过用激光雷达对水平大气中的气溶胶进展连续观测，得到大气气溶胶浓度的高度分布数据，用Klett法反演和斜率法得到了气溶胶消光系数数值并利用MATLAB程序用计算机对所得实验数据快速方便地直接得出出测量结果和图示。
关键词：气溶胶；激光雷达；探测；Klett反演算法；斜率法；消光系数；MATLAB0 前言本文为米散射激光雷达测大气气溶胶消光系数的研究报告，包含激光雷达的原理、斜率法等内容。
大气气溶胶是指悬浮在大气中的固体和〔或〕液体微粒，气溶胶的X围很广，如地面的扬尘、烟粒、微生物、植物的孢子和花粉以与水和冰组成的云雾滴、冰晶和雨雪等粒子，都属于气溶胶。
除了自然界自然产生的气溶胶粒子以外，人为排放到大气内的污染气体等也会最终形成为气溶胶粒子。
气溶胶粒子会直接和间接地影响着气候，通过吸收和散射太阳辐射以与地球的长波辐射而影响着地球和大气的辐射收支，凝结成核参与云的形成，从而影响到天气和气候的变化。
[1]另外，大气气溶胶的浓度变化还会直接影响到人们的健康和生存环境[2]。
激光雷达是一种主动的遥感探测工具，已有多年的历史，已广泛应用于激光大气传输、全球气候预测、气溶胶辐射效应与大气环境等研究领域[3]。
激光雷达探空方法是向大气中发射激光束〔微米波〕，利用大气中的气溶胶或大气分子为媒介，进展大气遥感探测。
由于激光的波长较短且脉冲的宽度窄，故可进展全大气层内的高精度与高时空分辨率探测。
数十年来，激光技术的不断开展为激光雷达大气气溶胶探测提供了所需要的光源。
另一方面，信号探测和数据采集极其控制技术的开展使激光雷达在大气气溶胶的探测高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有全面的优势，是其他探测手段不能比拟的[4]。
1 研究目的与背景大气中，尘埃、烟雾、云团等气溶胶粒子对大气的化学过程、辐射平衡、气候变化乃至人们的日常生活都有着非常重要的影响。
收稿日期: 2007-09-28; 修订日期: 2007-11-22基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目(编号：2006CB403701, 2006CB701302)；高等学校博士点基金项目(编号：200604086036)；国家自然科学基金项目(编号：40523005, 40676094)；国家教育部留学回国人员科研启动基金(编号：2006331)；测绘遥感信息工程国家重点实验室基金项目(编号：060401)；武汉“晨光计划”项目(编号：20065004116-04)和灾害天气国家重点实验室基金项目(编号：2006LASW014)。
第一作者简介:马盈盈(1982— ), 女, 博士研究生, 摄影测量与遥感专业。
主要从事激光雷达对大气探测和大气气溶胶参数反演的研究。
E-mail:yym863@ 。
中国东南部地区气溶胶光学特性激光雷达探测马盈盈1, 龚 威1, 朱忠敏21. 武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室, 湖北 武汉 430079;2. 武汉大学 多媒体国家软件工程技术研究中心, 湖北 武汉 430079摘 要: 通过反演CALIPSO 卫星的数据, 分析中国东南部地区气溶胶光学厚度从2006年6月到次年2月间的变化特性。
采用激光雷达卫星的观测数据能从更广泛的全球观测范围获得相关的气溶胶信息。
介绍了上述地区海洋面与陆地面气溶胶的差别并讨论其产生的原因, 描述了气溶胶光学厚度随高度层次的变化及其在整体区域范围内的分布特点。
这些信息为今后深入进行天气预报和气候变化研究以及分析气象气候与气溶胶的相互联系提供了参考数据。
关键词: CALIPSO, 激光雷达, 光学厚度, 激光雷达比 中图分类号: P407 文献标识码: A1 引 言大气气溶胶是指悬浮在大气中直径为0.001—100μm 的液体或固体微粒体。
气溶胶的产生受多方面因素的影响, 沙尘暴、林火烟灰、花粉、海水溅沫和工业、交通、农业、建筑等直接排放的气溶胶粒子分别是其产生的自然源和人工源(Zhou 等, 1998)。
大气中气溶胶激光雷达探测技术研究气溶胶是大气中的悬浮物质，由颗粒物、液滴、固体烟尘等组成。
气溶胶对大气环境和气候变化有着重要的影响。
在气溶胶研究中，激光雷达技术被广泛应用于气溶胶的探测和监测。
大气中的气溶胶粒子非常微小，直径一般在几纳米到几十微米之间，使得粒子的监测变得困难。
传统的气溶胶监测方法主要包括采样与化学分析、遥感监测和地面光学仪器观测等。
然而，这些方法均存在着采样时间长、操作复杂、成本高昂等问题。
激光雷达技术的应用可以克服传统气溶胶监测方法的不足之处。
激光雷达利用激光束在大气中传输，当激光束遇到气溶胶粒子时，会发生散射现象。
通过探测散射光的强度和方向，可以得到气溶胶粒子的属性信息，如粒子的浓度、粒径分布、形状等。
大气中气溶胶激光雷达探测技术的研究主要包括探测器设计、数据处理和气溶胶反演等方面。
探测器设计是激光雷达技术研究的关键环节之一。
探测器的优化设计可以提高激光雷达的灵敏度和分辨率，使其能够更好地探测气溶胶粒子的属性。
此外，数据处理也是激光雷达技术的重要组成部分。
通过有效的数据处理算法，可以提取出气溶胶散射光的特征，并将其转化为气溶胶的属性信息。
气溶胶反演是激光雷达技术研究的核心内容之一。
通过对散射光的特征进行反演，可以得到气溶胶的浓度、粒径分布等重要参数。
在大气中气溶胶激光雷达探测技术的应用研究中，目前存在一些挑战需要克服。
首先，由于气溶胶粒子的复杂性质，如不均匀分布、光学特性的变化等，激光雷达技术对气溶胶的探测存在一定的误差。
其次，由于大气条件的变化，如湿度、温度等因素的影响，也会对激光雷达技术的探测结果产生一定的干扰。
此外，气溶胶激光雷达探测技术在细粒子的监测上还有待进一步提高。
为了克服这些挑战，研究人员正在不断努力改进气溶胶激光雷达探测技术。
一方面，他们致力于优化激光雷达的探测器设计，提高雷达的探测灵敏度和分辨率。
另一方面，他们也在研究和发展新的数据处理算法，提高激光雷达对气溶胶属性信息的提取能力。
多波段拉曼激光雷达大气气溶胶光学参量的精细探测技术研究气溶胶是影响地球环境气候以及大气辐射特性的重要物质,它的光学参量如消光系数、后向散射系数和雷达比对于分析大气中气溶胶的粒径大小、种类、微物理参。
量以及研究气溶胶的散射特性具有非常重要的意义。
拉曼激光雷达因其探测系统分光结构容易实现,并且不需假定雷达比即可得到光学参量的优点而被许多研究人员用于大气探测。
论文针对振动拉曼散射激光雷达探测技术展开研究,根据振动拉曼散射光谱特征,研究了紫外光和可见光波段的拉曼激光雷达探测技术。
根据振动拉曼激光雷达探测气溶胶的原理,研究了消光系数和后向散射系数反演算法。
利用模拟噪声信号分析了系统噪声对反演结果的影响,讨论了系统常数变化对后向散射系数和雷达比的影响。
提出了适用于低能见度探测的系统常数标定方法。
设计并搭建了355nm,387nm,532nm 607nm和1 064nm五个通道的多波段拉曼激光雷达实验系统,对分光系统的光学参数进行了测试,利用高空探测信号对实验系统的系统常数进行了标定,推导得出了在纯净天,轻度污染,重度污染等不同实验状态下的系统常数,并用于后向散射系数的反演;利用该激光雷达系统对西安上空的气溶胶开展了实验观测,根据拉曼反演方法得到了 355nm和532nm两个波长的气溶胶后向散射系数廓线、消光系数廓线、并进一步得到了雷达比廓线和色比廓线,同时利用Fernald法反演得到了1064nm的后向散射系数廓线。
将拉曼激光雷达和太阳光度计的雷达数据进行了比对分析,验证了拉曼探测方法的可靠性。
利用该激光雷达对不同气象条件(雾霾、有云天、晴天)下的气溶胶光学参量进行了探测,得到了不同情况下的光学参量变化特征。
对日间大气气溶胶光学参量进行了观测,得到了低空白天气溶胶的光学参量数据。
利用长时间探测得到的气溶胶散射信号,绘制了气溶胶后向散射系数颜色比的时间分布变化图,分析了不同污染情况下气溶胶变化过程。
激光雷达测气溶胶消光系数实验研究摘要：大气气溶胶影响着天气和气候的变化，通过用激光雷达对水平大气中的气溶胶进行连续观测，得到大气气溶胶浓度的高度分布数据，用Klett法反演和斜率法得到了气溶胶消光系数数值并利用MATLAB程序用计算机对所得实验数据快速方便地直接得出出测量结果和图示。
关键词：气溶胶；激光雷达；探测；Klett反演算法；斜率法；消光系数；MATLAB0 前言本文为米散射激光雷达测大气气溶胶消光系数的研究报告，包含激光雷达的原理、斜率法等内容。
大气气溶胶是指悬浮在大气中的固体和（或）液体微粒，气溶胶的范围很广，如地面的扬尘、烟粒、微生物、植物的孢子和花粉以及水和冰组成的云雾滴、冰晶和雨雪等粒子，都属于气溶胶。
除了自然界自然产生的气溶胶粒子以外，人为排放到大气内的污染气体等也会最终形成为气溶胶粒子。
气溶胶粒子会直接和间接地影响着气候，通过吸收和散射太阳辐射以及地球的长波辐射而影响着地球和大气的辐射收支，凝结成核参与云的形成，从而影响到天气和气候的变化。
[1]另外，大气气溶胶的浓度变化还会直接影响到人们的健康和生存环境[2]。
激光雷达是一种主动的遥感探测工具，已有多年的历史，已广泛应用于激光大气传输、全球气候预测、气溶胶辐射效应及大气环境等研究领域[3]。
激光雷达探空方法是向大气中发射激光束（微米波），利用大气中的气溶胶或大气分子为媒介，进行大气遥感探测。
由于激光的波长较短且脉冲的宽度窄，故可进行全大气层内的高精度及高时空分辨率探测。
数十年来，激光技术的不断发展为激光雷达大气气溶胶探测提供了所需要的光源。
另一方面，信号探测和数据采集极其控制技术的发展使激光雷达在大气气溶胶的探测高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有全面的优势，是其他探测手段不能比拟的[4]。
1 研究目的及背景大气中，尘埃、烟雾、云团等气溶胶粒子对大气的化学过程、辐射平衡、气候变化乃至人们的日常生活都有着非常重要的影响。
因此，对大气气溶胶粒子的光学特性的探测研究一直是大气科学、气象探测和环境保护的一项重要任务。
近年来，中国经济的飞速发展已受到全世界的关注。
然而，这种快速的经济增长也伴随着社会体系的变革，高度的工业化和城市化造成许多气溶胶粒子和温室气体被排放到大气，带来了一系列的环境问题，对可持续发展有着严重的负面影响，同时对人们的日常生活和身体健康存在着严重的威胁。
如何获取环境变化的第一手资料，准确地提供大气物性及其变化趋势，是当前环境测量领域的一项迫切任务。
激光雷达作为一种主动遥感探测工具，已广发用于大气气溶胶辐射效应、大气环境等研究领域[5]。
在其探测高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有的独到优势，是其他探测手段不能比的。
利用激光雷达探测城区对流层气溶胶工作已在我国北京、合肥、苏州、西藏那曲等部分地区开展，然而环境监测的数据信息还远远不够，对我国的大气环境状况的评估需要大量的气溶胶监测数据的支撑。
如西部地区特殊的地理位置和气候条件及进来的高度的经济发展状况，造成大气中的气溶胶粒子含量较高，空气污染较为严重。
对西部地区上空开展气溶胶时空分布探测及其输送特性研究，一直是气象、环保部门所关注的研究课题。
特别是起源于我国北方地区频繁发生的沙尘暴事件已引起国内国际的关注，沙尘暴已成为一个重要的地球环境问题。
但地面探测仪如太阳光度计、粒子取样计等仪器还无法实现对气溶胶时空分布的剖面极其输送特性的实时探测，也很难实现长期观测。
而利用米散射激光雷达实际探测沙尘气候，判断沙尘的相对浓度分布，为利用激光雷达技术进一步研究沙尘的发生及输送规律等奠定基础。
2 激光雷达的原理2.1 激光雷达的基本原理及方程激光雷达其最根本的工作原理与普通雷达相类似，即由发射系统发送一个信号，用接收系统采集与目标相作用所产生的返回信号并进行处理。
不同之处为，激光雷达发射的信号为激光束，相比于普通无线电雷达所发送的毫米波的波长要短得多，故激光雷达系统的激光波长一般在微米量级，因而只能用于探测极细小的微粒和分子。
图1 激光雷达原理激光雷达的基本原理如图1所示，由激光器发出一束波长为λ0，宽度为t p 的脉冲经准直扩束后垂直射入大气，光脉冲在通过大气时所受到散射和衰减，其后向散射光被接收面积为Ar 的望远镜系统接收，高度z 处的后向散射信号功率可用雷达方程表示[6]：P(λ,z)=P 0∙Y (z )∙c∙t p 2∙Arz 2∙β(λ,z )∙T 2(λ,z ) (2.1)式中，λ为接收到的散射信号的波长，P 0为发射的激光脉冲的峰值功率，Y(z)为发送器与接收器光路的集合重叠系数，c 为光速，β(λ,z )为大气体积后向散射系数,T (λ,z )为大气的透过率，由朗伯定律可知：T (λ,z )=exp [−∫α(λ,z′)dz′]x′0 (2.2)式中,),(z λα 为大气的消光系数。
从理论上， ),(z λβ为大气数密度N(z)与散射截面Ωd d /σ的乘积，即Ω⋅=d d z N z σλβ)(),( (2.3) 如前所述，大气中与激光雷达脉冲相互作用产生的后向散射信号成分包括了大气气体分子和气溶胶粒子，由于分子尺寸小，所产生的散射光相对较弱，瑞利散射截面与激发波长的四次方成反比，大气气溶胶粒子对激光的散射光为米散射。
对某一激光雷达的特定波长，分子散射直接随着大气分子的浓度而发生变化，但气溶胶散射却很复杂，取决于粒径分布以及气溶胶粒子的折射率。
这些气溶胶粒子随地域、时间变化明显，所以无法对其准确估算与预测。
而分子散射却可以相对较准确的估计出，只要通过标准大气信息或观测点上空的大气温度、压力分布数据即可获得。
因此，实际大气体积后向散射系统和大气消光系统就包含了两个部分：分子散射部分和气溶胶散射部分，即:)()()()()()(z z z z z z m m αααβββαα+=+= )5.1()4.1( 下标a 表示气溶胶，m 表示大气分子。
接收信号如图1-4所示，在0-A 段，发射光束还没进入接收现场，接收不到后向散射信号，探测道德信号强度为0.在A-B 段，发射光束逐渐进入视场，发射器与接收器的重叠系数逐渐增大，接收到的后向散射信号也逐渐增强，至B 点时，重叠系数Y(z)=1，接收到的信号最强。
此后尽管视场内继续充满发射光束，但由于光速在大气中传输时按2-z 规律发散，因此回波信号也将按此规律减小，如图2中B-C 段，直至遇到气溶胶密集的介质。
在遇到气溶胶密集的介质时，回波信号增强，在某一距离点(图中D 点)处达到最大，随后又会逐渐衰减至系统无法探测为止。
图2 激光雷达接收的信号2.2 用斜率法求激光雷达方程的解激光雷达方程提供了激光回波信号与被探测物的光学性质之间的函数关系，因此可根据激光雷达探测到的回波信号，通过求解激光雷达方程，获得有关大气性质的信息。
但从前面激光雷达方程可知，除了激光雷达系统的光电探测器接收到的大气回波信号功率，以及激光器参数和系统常数以外，方程中还有4个未知量：分子和气溶胶粒子后向散射系数βm (z)、 βa (z)以及它们的消光系数αm (z)、αa (z)。
由于分子散射较稳定，其散射系数βm (z)和消光系数αm (z)可以通过标准大气模型或观测点上空的大气温度、压力分布数据获得，因而雷达方程中就剩下气溶胶的两个系数βa (z)和αa (z)未知。
激光雷达的求解方法主要有：斜率法、Klett 法和Fernald 法。
这里对斜率法求解进行解释，下文会提及Klett 反演算法。
在均匀的大气层中，整个后向散射系数β(z)和消光系数α(z)在该范围内是常数，在这种情况下，α(z)可用简单的斜率法求得。
将雷达方程(1.1)简化如下：P(z)=C ⋅z −2⋅β(z)⋅e −2∫α(z )dz x 0 (2.6) 将P(z)乘z 2,再取自然对数得：D (z )=lnP (z )∙z 2=lnC ∙β(z )−2∫α(z )dz x 0 (2.7) 对D(z)求导得：dD(z)dz =1β(z )∙dβ(z )dz -2α(z ) (2.8)如果大气均匀，则α(z )和β(z )均为常数，dβ(z )/dz=0，α(z )则为下式：α(z )=−12∙dD(z)dz (2.9) 即对曲线D(z)进行最小二乘法拟合，求出曲线的斜率即可求出均匀大气的消光系数。
斜率法由于要求均匀大气作为条件，实际是很难做到的，因为α(z )和β(z )在某一高度上通常并不是常数，因为这种方法很难达到很高的精度，但它适合于水平探测。
3 米散射激光雷达实验系统3.1 系统结构示意图米散射激光雷达实验系统构成示意图如图3，系统采用Nd ：YAG 脉冲激光器作为光源，为了提高白天测量的能力并考虑到入眼安全，选用其三次谐波波长355nm 作为探测波长。
激光束经准直扩束后垂直射入大气，大气的后向散射光由视场角为0.1mrad 、直径为250mm 的望远镜接收，并耦合进入多模光纤。
光纤输出信号经准直后入射到一块高光谱分辨率光栅（光栅刻划密度为2400gr/mm ，谱分辨率为6pm ），光栅衍射后的大气回波信号经过透镜聚焦，在焦平面上形成光谱分布，利用小孔光阑，分离出主要的大气回波信号（米散射和瑞利散射），同时剔除大部分太阳背景及非弹性散射信号，最后米散射和瑞利散射信号由光电倍增管监测。
这里，光栅、透镜和光阑组成了一个带宽为1nm的分光系统，光电倍增管探测到的散射信号再送入计算机进行数据处理与参数反演。
激光雷达系统参数示于图3。
图3 米散射激光雷达实验系统构成3.2 系统实物图图4 激光束图5 实验装置4 气溶胶消光系数的反演算法激光雷达接受的高度z 处的大气后向散射回波信号能量P(z)由激光雷达方程决定： P(z)=P 0C ∙z −2β(z )exp [−2∫α(z′)dz′]z0 (4.1) 式中P 0为激光发射的功率，C 为激光雷达系统常数，z 为探测距离，β(z )和α(z)分别为高度z 处大气总的后向散射系数和消光系数。
在利用激光雷达信号反演大气消光系数的算法中，比较常用的有Klett 法和Fernald 法，对一般大气环境，常采用Klett 法反演大气消光系数。
Klett 法中假设气溶胶后向散射系数β和消光系数α之间存在如下指数关系：β=B ∙αk (4.2) 其中，B 和k 与激光雷达波长以及气溶胶粒子的性质和尺度谱分布有关，k 的取值在0.67-1.3之间，取k=1，令S=1/B ，则有α/β=S,S 称为激光雷达比，这里假设S=40sr 。
设激光雷达回波信号的距离平方修正函数为：D(z)=P(z)∙z 2 (4.3) 若事先已知某一边界值高度z c 处大气总的消光系数α(z c )或后向散射系数β(z c ),则z c 处以下各高度上的气溶胶粒子消光系数α(z c )或后向散射系数β(z c )分别为：αc (z )=D(Z)D(z c )α(z c )+2∫D (z ′)dz′Zc z −αm (z) (4.4)βc (z )=D(Z)D(z c )β(z c )+2S ∫D (z ′)dz′Zc z −βm (z) (4.5)式中αm (z) 和βm (z)分别为大气分子消光系数和后向散射系数。
