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目 录

1 引言

2 实验观测系统及反演方法

2.1 实验观测系统

2.2 拉曼激光雷达测量气溶胶消光系数的方法

3 资料处理及分析计算 3

3.1 小波变换去噪并进行雷达资料处理

3.1.1 小波去噪分析

3.1.2 资料处理实例

3.2 气溶胶消光系数的反演结果分析

4 结论

参考文献

致谢

拉曼激光雷达测量气溶胶消光系数廓线

沈吉

（，China)

Abstract：Article reports the experiment of aerosol observations based on Raman lidar in the northern suburb of Nanjing.In the article,we utilize wavelet analysis of hard and soft threshold method to deal with Raman lidar’s echo signal, and also select different thresholds, different wavelet function to process Raman lidar’s echo signal.By a lot of comparative analysis,we can gain smoothed Raman lidar’s echo signal, and then obtain the atmospheric aerosol extinction coefficient profiles based on Raman lidar principle. In the experimental observation system, there are three receiving channels,which are Rayleigh, Mie scattering and Raman channel.We focus on

the data observed in the Raman channel.Raman lidar's evening aerosol observational data on December 8,2011 in the northern suburb of Nanjing were processed by four different thresholds,which are 1)'sqtwolog' fixed threshold; 2)'heursure' heuristic threshold ;3)'rigrsure' stein

unbiased risk estimation threshold and 4) 'minimaxi' minimax principle selection threshold. We

need select the appropriate threshold to denoise the observed data.Then we use the formula of the

inversion principle and the distance correction signal to calculate aerosol extinction coefficient profiles at different heights.Study got that: 1) Tropospheric aerosol extinction coefficient value changes greatly, the maximum value is generally about 10^-4m^-1, indicating that the uneven distribution of aerosols in the troposphere and the large concentration; 2) When the northern suburbs of Nanjing are not affected by volcanic ash,stratospheric aerosol extinction coefficient value changes little, the maximum value is generally about 10^-5m^-1, indicating that the stratospheric air is relatively clean, not a lot of aerosols present.

Key words：aerosol;extinction coefficient;Raman scattering;wavelet denoising

1 引言

随着城市工业的发展，大气污染日益严重，空气质量进一步恶化，不仅危害到人们的正常生活，而且威胁着人们的身心健康。大气污染主要是由一些漂浮于大气中的气溶胶造成的，大气气溶胶是由大气介质与混合于其中的固体、液体颗粒物组成的体系。气溶胶粒子以及云滴粒子是全球变暖的重要因子,但是由于不同高度处、不同类型的云滴对长短波的贡献不同,很难估计云滴对全球变暖的影响。矿物质燃料燃烧以及化学用品的使用等人为活动导致大气中气溶胶含量日益增多,其造成的气候效应分为间接效应和直接效应。气溶胶间接效应是指气溶胶粒子作为云滴形成的凝结核会影响云的形成,而云的变化反过来对气候有着巨大的影响,从而产生的气候效应;直接效应是指大气中的气溶胶粒子直接对太阳辐射吸收和散射，从而产生的气候效应。大气气溶胶对太阳辐射的散射从而导致的阳伞效应可以起到冷却低对流层大气的作用;而吸收性大气气溶胶可起到加热大气层的作用^[1]。

大气气溶胶粒子可以影响着地-气系统的辐射收支平衡,对局地、区域乃至全球气候有着重要影响。因为发现大气气溶胶对入射激光的吸收作用会加热大气而导致热晕发生,严重影响激光在大气中的传输，所以，气溶胶粒子是激光大气传输研究中的一个重要的大气光学参数。所有上述这些影响的程度主要依赖于大气气溶胶的物理和光学性质,但是不同的地区、不同季节、不同高度上气溶胶的物理和光学性质有着显著的差异。因此,为了研究大气气溶胶的辐射效应、气候效应和环境效应,研究激光在大气中的传输规律,进行大气气溶胶的含量、尺度谱、散射和吸收特性及时空分布的精确测量是气候家、环境学家和大气科学家共同关心的问题,研究意义重大,已被各国政府及科学家所重视。因此,准确地确定大气中气溶胶的含量、分布以及光学特性是很有必要的。气溶胶全球分布数据的缺少限制了科研者对大气气溶胶气候效应的研究。但是由于气溶胶以及云对太阳辐射的散射和吸收与它们的分布高度有关,所以对大气气溶胶消光系数的垂直结构进行观测研究很有必要。

微脉冲激光雷达作为一种新型的主动大气遥感探测设备,可实现对流层气溶胶及混合层高度演变特征的实时监测^[2],为大气气溶胶光学特性的研究以及大气边界层研究提供有力的帮助，其中拉曼激光雷达更加能够精确测量气溶胶。本文利用小波变换^[3-11]分析拉曼激光雷达回波信号^[12]，反演气溶胶消光系数廓线，这是由于现阶段激光雷达测量光学参数比卫星和太阳光度计都要精确，且其分辨率很高。激光雷达本身测量气溶胶消光系数廓线的方法有很多，但是拉曼激光雷达测量气溶胶消光系数廓线的方法^[13]没有克莱特方法^[14-16]和弗尔纳德方法的局限性，它的反演方法不需要任何边界值，也不需要假设雷达比，可以大大减少误差。对于回波信号的现有去噪方法有很多，比如数据拟合、小波变换、傅立叶变换等等，但是拉曼激光雷达回波信号比较弱，考虑到传统方法傅立叶变换对于非平稳信号不能一起保存时域与频域信息，我们选取了小波变换，打破傅立叶变换时频不稳定的局限性，大大提高了数据的三性。文中将详细介绍利用小波变换在matlab的环境下对几组拉曼激光雷达的回波信号进行去噪，再根据拉曼激光雷达接收回波信号的原理反演出大气气溶胶消光系数的廓线。

2 实验观测系统及反演方法

2.1 实验观测系统

实验使用的瑞利-拉曼-米三通道激光雷达(RRML)，安置于内的中国气象局综合观测实验基地(118.7°E，32.2°N)。实验装置如下图所示：

图1 实验观测系统结构示意图

图1展示的是一个瑞利-拉曼-米激光雷达系统结构示意图，整个系统放置在一个水平工作台上，实验室内保持恒温。从示意图上可以很清楚地发现发射出去的激光雷达波长为532nm，望远镜接收散射回来的散射光里面除了532nm波长的信号，还有607nm波长的拉曼信号，不同波长的信号经过分色镜分离开，607nm波长的散射光被全部反射到拉曼通道，532nm波长的散射光通过分束镜，一部分被反射到瑞利通道，一部分被米通道全部接收。拉曼通道和瑞利通道设有不同的门控,且延迟可调，由于拉曼信号与瑞利信号都很微弱，需要采用高灵敏度、高量子效率的光电倍增管提高信噪比，并且结合光子计数卡检测。而米通道接收到的散射光信号通过光电倍增管后直接由A/D数据采集卡采集。最后所有采集到的数据全部存储于计算机。拉曼通道与瑞利通道的光子计数卡可调通道的垂直分辨率，垂直分辨率有150m和30m，在实际测量过程中，只能对高低空进行分别测量，一般以10000脉冲积分作为一个数据文件，五次积分为一组。值得注意的是瑞利-拉曼-米激光雷达激光发射和接收并不在一条直线上，属于旁轴体系，近点接收会产生误差，需要订正。

2.2 拉曼激光雷达测量气溶胶消光系数的方法

氮拉曼雷达接收后向散射信号的方程如下：

（1）

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