一种激光雷达大气气溶胶立体监测系统的制作方法

本发明涉及大气环境监测设备技术领域，具体是指激光雷达大气气溶胶立体监测系统。

背景技术：

目前对大气中的细微颗粒、气溶胶的测量主要是采用分级过滤等定点采样方法确定其浓度与粒径分布。这些方法不能得到三维空间分布数据，同时很难测定小于1微米的可吸入性细微颗粒的精确含量。

微脉冲激光雷达可以测定大气气溶胶、细微颗粒的空间分布；多波长拉曼散射激光雷达除了空间分布以外还可以得到大气细微颗粒的粒径分布。但是这两种激光雷达的体积较大、造价昂贵，不适合大范围普及应用。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种激光雷达大气气溶胶立体监测系统，能够实现成本低、无人值守、范围广、不间断监测气溶胶的各种参数。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种激光雷达大气立体监测系统，其包括：服务器、至少一个固定激光雷达和至少一个移动激光雷达，所述固定激光雷达与所述服务器进行无线或者有线连接，所述移动激光雷达与所述服务器进行无线连接；

固定激光雷达监测所在位置点激光光束覆盖区域的气溶胶的定量参数信息，并将所述监测到的定量参数信息发送到所述服务器；

移动激光雷达的垂直朝上发射的光束与所述固定激光雷达的光束相交时刻，所述移动激光雷达通过所述固定激光雷达进行比较以获取该相交时刻和位置的气溶胶的定量参数信息；

所述移动激光雷达根据该相交时刻和位置的气溶胶的定量参数信息计算出该移动激光雷达移动路径上其他点的气溶胶的垂直分布的定量参数信息；并将该移动路径上的其他点的气溶胶的垂直分布的定量参数信息发送到所述服务器。

优选地，所述服务器将多个移动激光雷达发送过来的气溶胶的定量参数信息以及预置的空间信息加载在GIS地图上。

优选地，服务器根据气溶胶的的定量参数信息；确定气溶胶的种类，根据该气溶胶的种类确定气溶胶的来源。

优选地，所述定量参数信息包括：垂直方向气溶胶的后向体积散射系数和垂直方向气溶胶的消光系数。

优选地，所述固定激光雷达为折返式激光雷达或者为两台对向发射的激光雷达或者为拉曼散射激光雷达，所述移动激光雷达为多波长激光雷达或者单波长激光雷达。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：本发明提供的激光雷达大气立体监测方法及系统，采用固定激光雷达作为固定基准站，移动激光雷达作为移动站。移动站经过与固定基准站的校准以后得到大气中细微颗粒等气溶胶的时间、空间和大小分布。可以定量测量细微颗粒等气溶胶的数据。体积小、重量轻、系统简单、造价低廉，可以无人值守、全自动不间断测量。这不但大大降低系统成本，而且还能做到对人眼安全的要求，非常适合在城市环境中使用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的方法流程图；

图3为本发明实施例提供的方法另一流程图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种激光雷达大气气溶胶立体监测系统，如图1所示，包括：服务器、至少一个固定激光雷达和至少一个移动激光雷达，所述固定激光雷达与所述服务器进行无线或者有线连接，所述移动激光雷达与所述服务器进行无线连接；如通过光纤信号线或者数据信号线与服务器连接，或者将收集到的数据与服务器进行数据离线交换；或者在固定激光雷达站通过WiFi等采集收集数据然后传送到服务器，如图2所示，该监测的过程包括步骤：

S1、固定激光雷达监测所在位置点激光发射光束覆盖区域的气溶胶的定量参数信息，并将所述监测到的定量参数信息发送到所述服务器。

S2、移动激光雷达的垂直朝上的光束与所述固定激光雷达的光束相交时刻，所述移动激光雷达通过与所述固定激光雷达相互比较获取该相交时刻和位置的气溶胶的定量参数信息。

S3、所述移动激光雷达根据该相交时刻和位置的气溶胶的定量参数信息计算出该移动激光雷达移动路径上其他点的垂直方向气溶胶的定量参数信息；并将该移动路径上的其他点的垂直方向气溶胶的定量参数信息发送到所述服务器。移动激光雷达在进入到固定激光雷达发射光束所覆盖区域后，移动激光雷达发射光束与固定激光雷达光束交叠区域所测得的气溶胶定量参数信息是一致的，这就是比对校准移动激光雷达的物理基础。通过比对移动激光雷达的定量参数信息与固定激光雷达的定量参数信息，就可以校准移动激光雷达的定量参数信息，并且在移动激光雷达离开其与固定激光雷达交叠区域后的一定距离范围内，这个比对校准仍然有效(前提是在这个一定范围内，气溶胶类型不发生改变。就是这个区域内没有新型的气溶胶发生源头。)

在其他实施例中，在上述实施例基础上，如图3所示，在上述步骤S3之后，进一步的包括步骤S4：所述服务器将多个移动激光雷达发送过来的气溶胶的定量参数信息以及预置的空间信息(如设置有本发明提供的系统的一个城市，或者一个城市的某个区域)加载在GIS地图(三维地理信息系统数字地球)上。即：若干个固定激光雷达与若干个移动激光雷达所测量得到的数据实时的传输到控制中心的服务器上，这个服务器对所有站点(移动激光雷达和固定激光雷达)的定量参数信息进行处理，显示出在站点所覆盖的区域内气溶胶浓度、颗粒物粒径分布的立体分布图。

在其他实施例中，在上述实施例基础上，在上述步骤S4之后，进一步的包括步骤S5：服务器根据气溶胶的定量参数信息；确定气溶胶的种类，根据该气溶胶的种类确定气溶胶的来源。

在上述实施例中，更为优选地，所述定量参数信息包括：垂直方向气溶胶的后向体积散射系数和垂直方向气溶胶的消光系数。其中：确定该气溶胶的后向体积散射系数和气溶胶的消光系数方法为：

固定激光雷达A探测到的光功率信号RCS_A(z)

RCS_A(z)＝C_A·β(z)·exp(-2τ_Az)

固定激光雷达B探测到的光功率信号RCS_B(z)

RCS_B(z)＝C_B·β(z)·exp(-2τ_zB)

其中C_A、C_B分别为激光雷达的系统常数，可在天气晴朗、水平大气较为均匀的夜晚测量得到。β(z)为大气的后向散射体积系数，τ_Az为A点到z点的光学厚度，τ_zB为z点到B点的光学厚度。

令

于是A点到z点的光学厚度：

其中τ_AB为A点到B点的光学厚度。

于是，我们得到A与B之间任意一点的大气消光系数：

因此，气溶胶的消光系数α_a(z)＝α(z)-α_m(z)

其中α_m(z)是大气分子消光系数，可由标准的大气模型获得。

令P(z)＝RCS_A(z)·RCS_B(z)＝C_AC_B·exp[-2(τ_Az+τ_zB)]＝C_AC_B·β²(z)·exp(-2τ_AB)

得到A与B之间任意一点的大气后向体积散射系数

其中α(z)已由前面获得。

因此，气溶胶的后向体积散射系数β_a(z)＝β(z)-β_m(z)

其中β_m(z)是大气分子后向体积散射系数，可由标准的大气模型获得。

移动激光雷达经过A与B之间某点z_Q时，由前面算法已知z_Q点的消光系数α_aQ和后向体积散射系数β_aQ，由移动激光雷达在垂直方向测得的光功率信号，通过Femald解法，我们可以得到垂直方向气溶胶的消光系数：z_Q点以下的气溶胶的消光系数：

z_Q点以上的气溶胶的消光系数：

其中X(z)为移动激光雷达在垂直方向测得的光功率信号。

垂直方向的气溶胶后向体积散射系数：

在上述各实施例中，更为优选地，所述固定激光雷达为折返式激光雷达或两台对向发射的激光雷达或者为拉曼散射激光雷达，该固定激光雷达为两个对向发射激光雷达或者为一个激光雷达加上一个反射装置构成折返式激光雷达系统，所述移动激光雷达为多通道多波长激光雷达或者多通道单波长激光雷达。如果为多通道多波长的激光雷达，则可以获得更多其他数据。移动激光雷达可以通过装载无人机、公交车、私家车等任何可移动的工具上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。