| 2.5
环境空气质量监测系统的发展趋势 |
| 近年来，国外还在致力于发展基于激光光源的监测灵敏度更高的长光程吸收光谱仪，但
目前尚处于试验阶段。在大气污染探测激光雷达方面，近年来倾向于发展探测灵敏度很高的 差分吸收激光雷达，用于城市大气环境和城市污染源的高时空分辨率探测。德国、美国、意
大利和瑞典等国已分别研制成功车载式差分吸收激光雷达样机，并正在进行实用性试验。考 虑到差分吸收激光雷达的技术复杂、造价昂贵、可靠性差，对操作和维护人员的技术素质要
求太高，估计近期内推广使用有困难。因此世界各国也在发展拉曼激光雷达技术。拉曼激光 雷达虽然探测灵敏度较差，但其结构简单、造价较低、性能可靠，使用维护方便，使之很适
合用于对城市大气污染源的流动监测，正好弥补了常规光学监测手段对污染源监测能力的不 足。 |
| LIDAR（LIght
Detection And Ranging 的缩写 ）把短激光（ 全固态闪光灯泵激的钛 Sapphire 激光器，波长范围750～870
nm，建立在光学非线性晶体上的二倍频和三倍频设备 把红外线激光辐射改变成紫外线辐射，波长范围250～400 nm）脉冲发射到大气层，沿着它
的轨迹，光被小粒子散射开（米式散射），并且也被空气分子散射开（瑞利散射）。反向散 射到LIDAR系统的少许光被望远镜和敏感的检测器接收，接收机信号被得到，作为一个时间
函数。由于光的等速性，时间与散射器的距离有关，因此空间信息沿着电子束轨迹被检测。 |
| 可以从接收到的信号推导出的信息取决于发射光的波长，也取决于探测方法。为了确定污染物的空间分布，要用激光雷达（LIDAR）差分吸收（DIAL，DIfferential
Absorption Lidar technique的缩写）技术。DIAL方法利用的是待测气体的吸收和大气（包 括气体分子和气溶胶）弹性后向散射的原理，一般在所选择波长（λON）处的气体吸收截面
较大，并且大气气体的弹性后向散射截面很大，回波强度较大易于接收测量。这两个因素结 合在一起，形成差分吸收方法测量的高灵敏度，再加上激光雷达的很高的距离分辨率和大范
围实时测量的特点，使DIAL激光雷达成为测量气体分子浓度空间分布的一种有力工具。其基 本过程为：扫描平镜能进行俯仰和方位转动，以实现三维空间立体扫描。通过自动控制指令
控制扫描平镜的俯仰和方位转动，使发射光束射向被测大气，被测大气的后向散射光信号由 扫描平镜反射到接收望远镜，通过小孔光阑、衰减片、窄带滤光片达到光电倍增管，前置放
大器和高速A/D转换器对光电倍增管输出的微弱信号进行处理，获取测量数据并转送到计算 机，数据处理软件对测量数据进行处理，获取被测污染物的浓度，并实时显示污染物的空间
分布。 |
| 激光雷达技术在环境监测中的应用在国际上受到了相当的重视。美国、德国、英国、加
拿大、日本等发达国家都建有用于大气污染测量的激光雷达系统，并在环境监测中发挥着重 要的作用。 日本通产省已着手研制能观测三维大气中物质密度和组分的环境监测用激光雷达，以测量都市上空的NOx、SOx、O3、甲烷等气体的三维立体分布。加拿大的Optech公司（1974年开始研制）和德国的Elight、OHB等公司已向环境监测与研究部门提供测污激光雷达样
机。例如，德国Eligh公司的510 M型车载激光雷达，能够监测5种污染气体（SO2、NO2、
O3 、甲苯、苯）和气溶胶，但价格昂贵（120万美元），国内暂时还不可能装备。国外激光雷达工作的发展动态如下： |
| （1）大气污染和环境监测工作中，地基固定式和车载激光雷达有布点成网趋势；机载激光
雷达在发达国家开始部署；一系列空间激光雷达计划已开始执行。 |
| （2）测量对象以SO2、NOx、O3、气溶胶、有机气体为主。探测方法以高灵敏度的差分吸收
（DIAL）和Mie后向散射方法为主。 |
| （3）激光雷达使用的激光器，一直以灯泵YAG、准分子、染料激光器为主。现在的发展趋势
是使用半导体激光器泵浦的全固化激光器，使用掺钛宝石（Ti：Al2O3）、LiSAF（Cr：LiSr
AlF6）和LiCAF等新型可调谐固体激光器，利用KTP、BBO等非线性晶体使激光波长向紫外波 段扩展。使用可调谐、全固化激光器有利于形成多功能、紧凑型激光雷达，也是机载和空间
激光雷达光源的最佳候选者。另外，它们运行更可靠，操作维护更简便。 |
| （4）国外的激光雷达研究一直由国家推动，主要由研究机构和大学研制和发展的，用于各
种目的的研究计划。随着激光技术和激光雷达技术的发展，一些经营某些激光雷达的高技术 公司开始出现，激光雷达越来越多地应用于大气污染监测和全球环境监测领域的常规测量或
专项试验，发挥越来越大的和不可替代的作用。 |
| 例如，1994年，Elight
Laser System GmbH公司开发制造的LIDAR 510 M是远程传感器，用来执行二维或三维空气污染监测，可以获得有关大气变化过程的更广泛的信息。LIDAR
510 M可以测量SO2、NO2、O3、苯、甲苯和气溶胶。标准条件下，该系统的平均测量范围为2
km。LIDAR 510 M的技术性能见表4。 |
| 项目
性能指标 |
SO2 |
NO2 |
O3 |
甲苯 |
苯 |
气溶胶 |
| MDL（ppb） |
4 |
20 |
4 |
10 |
10 |
0.05/km |
| 最佳空间分辨率（m） |
7.5 |
7.5 |
7.5 |
7.5 |
7.5 |
7.5 |
| 最准确的空间分辨率（m） |
500 |
1,000 |
500 |
1,000 |
1,000 |
7.5 |
| 最佳/平均范围（km） |
3/2 |
4/3 |
3/2 |
3/1.5 |
3/1.5 |
5/3 |
| 二维成像时间（min） |
5 |
5 |
5 |
8 |
8 |
5 |
|
LIDAR
510 M的优点为：
（1）烟道的远程监控；
（2）用水平扫描探测不明源；
（3）烟 流跟踪；
（4）中长距离运输的测定；
（5）存储层的探测；
（6）三维空间分辨测定。 |
| 国内中科院大气物理所研制了我国第一台激光雷达，该所的红宝石激光雷达曾在南极地
区进行平流层气溶胶测量，该所还研制了测量斜程大气能见度YAG激光雷达。中科院武汉物 理与数学研究所则研制成功瑞利散射激光雷达（探测范围0～70
km）、钠层荧光激光雷达（ 探测范围80～110 km）和拉曼散射激光雷达（N2探测范围0～15 km。虽然探测范围为低空，
但拉曼激光雷达属于分子分类型探测，由于分子的拉曼散射截面小，需要高灵敏探测技术实 现。）。1998年5月，中国科学院武汉物理与数学研究所也提出了“城市大气污染光学监测
系统的研制——长程吸收光谱仪和拉曼激光雷达”。 |
| 安徽光机所则在激光雷达的研究方面处于国内领先地位。1985年，安徽光机所研制成功
用于大气中乙烯浓度的“JC-1激光大气污染监测雷达”；1990年，研制成功用于大气气溶胶 监测的“L625平流层气溶胶激光雷达”；“八五”期间，研制成功“L300车载式双波长对流层和近地层漂尘探测激光雷达”，1993年12月，研制成功“平流层臭氧探测紫外差分（UV-DIAL）激光雷达”，探测高度达45
km以上；安徽光机所还研制成功差分吸收激光雷达，用于对流层和平流层臭氧的探测与研究。中国科学院安徽光学精密机械研究所于1998年向科技部申报了“863”专题“测污激光雷达系统研制”项目。1998年8月，中科院安徽光机所/中国科技大学地球和空间科学系联合提出了“车载测污激光雷达及测量研究”项目。 |
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