[发明专利]一种同时测量大气颗粒物后向散射系数和臭氧浓度廓线的方法

摘要

一种同时测量大气颗粒物后向散射系数和臭氧浓度廓线的方法，双波长差分吸收激光雷达同时接收臭氧不同吸收截面上的On、Off双波长后向散射回波信号，对采集到的On、Off双波长后向散射回波信号进行扣背景、距离平方修正、滤波等预处理后，假设臭氧浓度初值，大气分子模式为美国标准大气模式，利用修正后的Off波长的回波信号反演Off波长的后向散射系数，根据波长转换关系得到On波长的后向散射系数，结合On波长的后向散射回波信号反演出臭氧浓度，若反演得到的臭氧浓度与臭氧浓度初值相差大于预设值，则将以上过程循环迭代，直到达到预设值为止，最后可以同时得到颗粒物后向散射系数和臭氧浓度。本发明有效减小气溶胶的干扰，提高臭氧测量精度。

主权项

1.一种同时测量大气颗粒物后向散射系数和臭氧浓度廓线的方法，其特征在于实现步骤如下：（1）双波长差分吸收激光雷达同时接收臭氧不同吸收截面上的On（臭氧吸收峰）、Off（臭氧吸收谷）双波长后向散射回波信号，回波信号表示为：P(λ,z)=Cβ(λ,z)z2exp{-2∫0z[α(λ,z)+N(z)δ(λ)]dz}---(1)]]>其中，P(λ,z)为波长λ，距离z处的大气回波信号，C为激光雷达系统常数，β(λ,z)为气体分子和气溶胶总的后向散射系数，α(λ,z)为气体分子和气溶胶总的消光系数，N(z)为待测的臭氧分子浓度，δ(λ)为波长λ处的臭氧吸收截面；大气后向散射系数和大气消光系数又可分为大气分子和气溶胶两项；（2）对上述回波信号进行扣背景、滤波的处理后，进行距离平方修正，如下所示：P(λ,z)z2=Cβ(λ,z)exp{-2∫0z[α(λ,z)+N(z)δ(λ)]dz}---(2)]]>（3）假设大气分子模式采用美国标准大气，确定参考高度z_c处大气气溶胶粒子的后向散射系数，z_c处以下的颗粒物后向散射系数后向积分为：βa(λoff,z)=-βm(λoff,z)+X(λoff,z)exp[2(S1-S2)∫zzcβm(λoff,z)dz]exp[-2∫zzcN(z)σ(λoff,z)dz]X(λoff,zc)βa(λoff,zc)+βm(λoff,zc)+2S1∫zzcX(λoff,z)exp[2(S1-S2)∫zzcβm(λoff,z)dz]exp[-2∫zzcN(z)σ(λoff,z)dz]dz---(3)]]>z_c处以上的颗粒物后向散射系数前向积分为：βa(λoff,z)=-βm(λoff,z)+X(λoff,z)exp[-2(S1-S2)∫zczβm(λoff,z)dz]exp[-2∫zzcN(z)σ(λoff,z)dz]X(λoff,zc)βa(λoff,zc)+βm(λoff,zc)-2S1∫zczX(λoff,z)exp[-2(S1-S2)∫zczβm(λoff,z)dz]exp[-2∫zzcN(z)σ(λoff,z)dz]dz---(4)]]>S₁是颗粒物消光后向散射比，它依赖于入射的激光波长、大气气溶胶粒子的尺度谱分布和折射指数，S₂为空气分子的消光后向散射比，取为8π/3；通过（3）、（4）式得到Off波长的颗粒物后向散射系数，On波长的气溶胶后向散射系数β_a(λ_on,z)与Off波长的气溶胶后向散射系数β_a(λ_off,z)具有以下关系：βa(λon,z)=βa(λoff,z)(λonλoff)-a---(5)]]>其中，a称为气溶胶波长指数；（4）根据On波长的气溶胶后向散射系数β_a(λ_off,z)和距离平方修正后的On波长的后向散射系数计算得到N(z)^*；（5）若N(z)^*与假定的臭氧浓度相差没有达到预设值，则使用N(z)^*代替臭氧浓度初始值，并进行以上循环迭代，至到臭氧浓度假设值与N(z)^*相差值达到预设值，则N(z)^*为反演得到的臭氧浓度，并且同时得到颗粒物的后向散射系数。