[發明專利]區域污染物三維分布及輸送定量評價的激光雷達稽查系統

在審

• 申請號: 201811263460.8
• 申請日: 2018-10-28
• 公開（公告）號: CN111103591A
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發明（設計）人: 陳曉龍;何勇;高潔;萬學平;王界;周劍烽
• 申請（專利權）人: 無錫中科光電技術有限公司
• 主分類號: G01S17/06
• 分類號: G01S17/06;G01N15/06
• 代理公司: 無錫市朗高知識產權代理有限公司 32262
• 代理人: 趙華

本發明公開了區域污染物三維分布及輸送定量評價的激光雷達稽查系統，該系統主要包括：從移動稽查車獲取監測區域的地理位置信息，從多軸差分吸收光譜裝置獲得氣態污染物的斜柱濃度，掃描雷達獲取顆粒態氣溶膠的消光系數廓線，從風廓線雷達得到風場信息；將氣態污染物斜柱濃度轉化為濃度垂直廓線，將顆粒態污染物的消光廓線轉化為質量濃度廓線；根據氣態污染物的濃度垂直廓線，并結合風場信息計算氣態污染物輸送通量；根據顆粒態污染物的質量濃度和風場數據，計算顆粒態污染物的輸送通量；根據上述地理位置信息及反演數據，實時展示污染物的三維分布，并進行區域污染物通量的定量評價。本發明裝置裝配簡單，計算過程容易實現。

技術領域

本發明涉及環境科學、激光雷達技術領域，具體為區域污染物三維分布及輸送定量評價的激光雷達稽查系統。

背景技術

近二十年，我國大氣污染日益嚴重，我國城市大氣環境中總懸浮顆粒物濃度普遍超標，二氧化硫污染保持在較高水平，機動車尾氣污染物排放總量迅速增加，氮氧化物污染呈加重趨勢，全國形成華中、西南、華東、華南多個酸雨區，以華中酸雨區為重。我國是繼歐洲、北美之后世界第三大重酸雨區。

大氣中的SO₂、NO₂等是大氣中的重要污染氣體，其參與了臭氧的光化學反應及氣溶膠的生成，對人類的健康有著重大危害。當前探測氣態污染物的方法有很多，其中，多軸差分光學吸收光譜技術(Multi-Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy)利用大氣中的各種痕量氣體如SO₂、NO₂、O₃、HCHO 等對太陽散射光的“指紋”特性吸收強度來反演這些痕量氣體在大氣中的濃度，進而得到其在整層大氣的垂直分布信息，在測量氣態污染物方面得到廣泛應用。

與此同時，激光雷達技術也逐步發展，利用掃描激光雷達進行區域顆粒態污染物探測也是研究區域污染情況的重要手段之一。使用車載掃描激光雷達進行移動監測時，結合地理位置信息，可以實時展示顆粒態污染物的在區域內的三維分布，有利于深入了解污染形成的外部條件，為區域污染聯合防治提供科學支持。但由于缺乏整層大氣的風場分布，在計算進行污染物通量計算以及污染物來源判定方面受到極大的局限。

風廓線雷達是一種新型的測風雷達，能夠連續提供大氣水平風場、垂直氣流等氣象要素的垂直分布，結合多軸差分吸收光譜裝置、掃描激光雷達，能夠有效地對工業區、面源或區域源(大城市)的污染物進行監測，通過計算污染物輸送通量，定量評價污染物來源。

顆粒物激光雷達在大氣復合污染立體監測中的應用，(中國環境監測2015年 05期)，針對由于局地污染、沙塵輸入、外源性輸入與局地污染物相互疊加所導致的3種灰霾污染發生過程,分別選取3個典型案例,采用顆粒物激光雷達對污染物的時空分布特征進行解析。研究發現,在局地污染發生時,污染物從地面開始垂直向上擴散,擴散高度約1km。重度污染過程中,氣溶膠的日均垂直消光系數隨高度的變化背離指數衰減特征,800m高度處出現消光系數的極大值層,極大值超過 2.5km^-1,800m以下消光系數近乎常數,約為0.3km^-1。這說明,重污染過程中,有一層較厚重的顆粒物分布,使近地面污染物在垂直方向的擴散能力減弱,形成積累效應,造成大面積空氣混濁。當有外源性沙塵輸入時,激光雷達能夠清晰地監測到污染團輸入的全過程。沙團突然出現在高空2～3km。污染團退偏振度較大,超過0.3。隨著沙塵粒子的重力沉降,沙團的輪廓在垂直方向上不斷地增大。沙團的輸入,導致近地面粗顆粒質量濃度的增加幅度明顯大于細顆粒。在第3個案例中,激光雷達清晰地監測到高空1.8～3km突然出現含有大量球形細顆粒的污染團,同時還發現此污染團與近地面的污染物有不同的演化特征。近地面污染物隨時間垂直向上擴散,12:00左右擴散高度超過1.8km。而高空的污染團逐漸沉降進入邊界層內, 與近地面擴散的污染物相互混合,共同導致本地的灰霾天氣。綜上所述,激光雷達可以清晰地捕獲污染物的垂直結構特征,對不同的致霾過程進行立體解析,實現對大氣復合污染的監測和機理研判。

發明內容