一種激光雷達大氣氣溶膠立體監測系統的制作方法

本發明涉及大氣環境監測設備技術領域，具體是指激光雷達大氣氣溶膠立體監測系統。

背景技術：

目前對大氣中的細微顆粒、氣溶膠的測量主要是采用分級過濾等定點采樣方法確定其濃度與粒徑分布。這些方法不能得到三維空間分布數據，同時很難測定小于1微米的可吸入性細微顆粒的精確含量。

微脈沖激光雷達可以測定大氣氣溶膠、細微顆粒的空間分布；多波長拉曼散射激光雷達除了空間分布以外還可以得到大氣細微顆粒的粒徑分布。但是這兩種激光雷達的體積較大、造價昂貴，不適合大范圍普及應用。

技術實現要素：

本發明的主要目的是提供一種激光雷達大氣氣溶膠立體監測系統，能夠實現成本低、無人值守、范圍廣、不間斷監測氣溶膠的各種參數。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

本發明提供一種激光雷達大氣立體監測系統，其包括：服務器、至少一個固定激光雷達和至少一個移動激光雷達，所述固定激光雷達與所述服務器進行無線或者有線連接，所述移動激光雷達與所述服務器進行無線連接；

固定激光雷達監測所在位置點激光光束覆蓋區域的氣溶膠的定量參數信息，并將所述監測到的定量參數信息發送到所述服務器；

移動激光雷達的垂直朝上發射的光束與所述固定激光雷達的光束相交時刻，所述移動激光雷達通過所述固定激光雷達進行比較以獲取該相交時刻和位置的氣溶膠的定量參數信息；

所述移動激光雷達根據該相交時刻和位置的氣溶膠的定量參數信息計算出該移動激光雷達移動路徑上其他點的氣溶膠的垂直分布的定量參數信息；并將該移動路徑上的其他點的氣溶膠的垂直分布的定量參數信息發送到所述服務器。

優選地，所述服務器將多個移動激光雷達發送過來的氣溶膠的定量參數信息以及預置的空間信息加載在GIS地圖上。

優選地，服務器根據氣溶膠的的定量參數信息；確定氣溶膠的種類，根據該氣溶膠的種類確定氣溶膠的來源。

優選地，所述定量參數信息包括：垂直方向氣溶膠的后向體積散射系數和垂直方向氣溶膠的消光系數。

優選地，所述固定激光雷達為折返式激光雷達或者為兩臺對向發射的激光雷達或者為拉曼散射激光雷達，所述移動激光雷達為多波長激光雷達或者單波長激光雷達。

實施本發明的技術方案，具有以下有益效果：本發明提供的激光雷達大氣立體監測方法及系統，采用固定激光雷達作為固定基準站，移動激光雷達作為移動站。移動站經過與固定基準站的校準以后得到大氣中細微顆粒等氣溶膠的時間、空間和大小分布。可以定量測量細微顆粒等氣溶膠的數據。體積小、重量輕、系統簡單、造價低廉，可以無人值守、全自動不間斷測量。這不但大大降低系統成本，而且還能做到對人眼安全的要求，非常適合在城市環境中使用。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的系統的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的方法流程圖；

圖3為本發明實施例提供的方法另一流程圖。

本發明目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

本發明實施例提供一種激光雷達大氣氣溶膠立體監測系統，如圖1所示，包括：服務器、至少一個固定激光雷達和至少一個移動激光雷達，所述固定激光雷達與所述服務器進行無線或者有線連接，所述移動激光雷達與所述服務器進行無線連接；如通過光纖信號線或者數據信號線與服務器連接，或者將收集到的數據與服務器進行數據離線交換；或者在固定激光雷達站通過WiFi等采集收集數據然后傳送到服務器，如圖2所示，該監測的過程包括步驟：

S1、固定激光雷達監測所在位置點激光發射光束覆蓋區域的氣溶膠的定量參數信息，并將所述監測到的定量參數信息發送到所述服務器。

S2、移動激光雷達的垂直朝上的光束與所述固定激光雷達的光束相交時刻，所述移動激光雷達通過與所述固定激光雷達相互比較獲取該相交時刻和位置的氣溶膠的定量參數信息。

S3、所述移動激光雷達根據該相交時刻和位置的氣溶膠的定量參數信息計算出該移動激光雷達移動路徑上其他點的垂直方向氣溶膠的定量參數信息；并將該移動路徑上的其他點的垂直方向氣溶膠的定量參數信息發送到所述服務器。移動激光雷達在進入到固定激光雷達發射光束所覆蓋區域后，移動激光雷達發射光束與固定激光雷達光束交疊區域所測得的氣溶膠定量參數信息是一致的，這就是比對校準移動激光雷達的物理基礎。通過比對移動激光雷達的定量參數信息與固定激光雷達的定量參數信息，就可以校準移動激光雷達的定量參數信息，并且在移動激光雷達離開其與固定激光雷達交疊區域后的一定距離范圍內，這個比對校準仍然有效(前提是在這個一定范圍內，氣溶膠類型不發生改變。就是這個區域內沒有新型的氣溶膠發生源頭。)

在其他實施例中，在上述實施例基礎上，如圖3所示，在上述步驟S3之后，進一步的包括步驟S4：所述服務器將多個移動激光雷達發送過來的氣溶膠的定量參數信息以及預置的空間信息(如設置有本發明提供的系統的一個城市，或者一個城市的某個區域)加載在GIS地圖(三維地理信息系統數字地球)上。即：若干個固定激光雷達與若干個移動激光雷達所測量得到的數據實時的傳輸到控制中心的服務器上，這個服務器對所有站點(移動激光雷達和固定激光雷達)的定量參數信息進行處理，顯示出在站點所覆蓋的區域內氣溶膠濃度、顆粒物粒徑分布的立體分布圖。

在其他實施例中，在上述實施例基礎上，在上述步驟S4之后，進一步的包括步驟S5：服務器根據氣溶膠的定量參數信息；確定氣溶膠的種類，根據該氣溶膠的種類確定氣溶膠的來源。

在上述實施例中，更為優選地，所述定量參數信息包括：垂直方向氣溶膠的后向體積散射系數和垂直方向氣溶膠的消光系數。其中：確定該氣溶膠的后向體積散射系數和氣溶膠的消光系數方法為：

固定激光雷達A探測到的光功率信號RCS_A(z)

RCS_A(z)＝C_A·β(z)·exp(-2τ_Az)

固定激光雷達B探測到的光功率信號RCS_B(z)

RCS_B(z)＝C_B·β(z)·exp(-2τ_zB)

其中C_A、C_B分別為激光雷達的系統常數，可在天氣晴朗、水平大氣較為均勻的夜晚測量得到。β(z)為大氣的后向散射體積系數，τ_Az為A點到z點的光學厚度，τ_zB為z點到B點的光學厚度。

令

于是A點到z點的光學厚度：

其中τ_AB為A點到B點的光學厚度。

于是，我們得到A與B之間任意一點的大氣消光系數：

因此，氣溶膠的消光系數α_a(z)＝α(z)-α_m(z)

其中α_m(z)是大氣分子消光系數，可由標準的大氣模型獲得。

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與B之間任意一點的大氣后向體積散射系數

其中α(z)已由前面獲得。

因此，氣溶膠的后向體積散射系數β_a(z)＝β(z)-β_m(z)

其中β_m(z)是大氣分子后向體積散射系數，可由標準的大氣模型獲得。

移動激光雷達經過A與B之間某點z_Q時，由前面算法已知z_Q點的消光系數α_aQ和后向體積散射系數β_aQ，由移動激光雷達在垂直方向測得的光功率信號，通過Femald解法，我們可以得到垂直方向氣溶膠的消光系數：z_Q點以下的氣溶膠的消光系數：

z_Q點以上的氣溶膠的消光系數：

其中X(z)為移動激光雷達在垂直方向測得的光功率信號。

垂直方向的氣溶膠后向體積散射系數：

在上述各實施例中，更為優選地，所述固定激光雷達為折返式激光雷達或兩臺對向發射的激光雷達或者為拉曼散射激光雷達，該固定激光雷達為兩個對向發射激光雷達或者為一個激光雷達加上一個反射裝置構成折返式激光雷達系統，所述移動激光雷達為多通道多波長激光雷達或者多通道單波長激光雷達。如果為多通道多波長的激光雷達，則可以獲得更多其他數據。移動激光雷達可以通過裝載無人機、公交車、私家車等任何可移動的工具上。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。