Design and implementation of NO₂ differential absorption lidar sources

二氧化氮(NO₂)是大气中重要的污染气体，对人体和动植物都有毒性作用。当浓度约200μg/m³时会影响人体呼吸困难，500μg/m³时会对植物造成破坏。NO₂也是形成酸雨、酸雾及光化学烟雾的主要污染物。NO₂的来源主要来自煤炭石化燃料的燃烧、汽车尾气和化工厂的排放气体。随着我国工业化进程的快速发展，对煤、石油等能源的需求和汽车数量的日益增加，NO₂对环境的影响也越来越严重。对大气污染的监测，越来越受到人们的重视。

测量大气NO₂浓度的常见方法有盐酸萘乙二胺分光光度法、傅里叶变化光谱技术、差分吸收光谱仪、喇曼散射激光雷达和差分吸收激光雷达^[1-4]。喇曼散射激光雷达主要缺点是喇曼后向散射截面小、探测灵敏度低、探测距离近，只能用于监测烟囱口等高污染区域^[5]。而差分吸收激光雷达除有较高灵敏度外，还具有传统地基单点测量难以具备的优点，可以对大范围的大气污染进行遥感监测，获得垂直或水平廓线。自差分吸收技术从20世纪70年代由SCHOTLAND提出以来，已广泛应用于大气中水汽、臭氧、二氧化碳、二氧化硫、甲烷等气体的测量。由于NO₂吸收截面小，大气中含量低，探测难度较大。FREDRIKSSON和KÖLSCH等人用差分吸收激光雷达，测量了如硝盐化工厂烟囱及周边烟雾等NO₂浓度较高区域的廓线^[6-7]。随着激光技术的发展，MORI等人采用Nd :YAG激光器抽运染料激光器，并用晶体和频方法产生两个448.20nm~446.80nm波长来测量大气中的NO₂^[8]。在国内，电子科技大学YIN等人对差分吸收激光雷达的灵敏度及湍流对浓度反演的影响进行了理论研究^[9]。中国工程物理研究院LI等人用双通道可调谐的Ti: sapphire激光器验证了该差分吸收激光雷达系统具有测量NO₂浓度的能力^[10]。中国科学院安徽光学精密机械研究所在国内率先利用喇曼频移的方法产生395.60nm~396.68nm波长对来测量大气中的NO₂，发展了AML系列车载式测污激光雷达^[11-13]。

差分吸收激光雷达是根据目标气体对探测光束的吸收特性来测量的。相对于大气中的O₃和CO₂，NO₂的含量更低，探测难度较大。为提高测量精度和系统稳定性，并满足多波段多大气成分主被动综合探测系统(atmospheric profiling synthetic observation system, APSOS)项目中大气SO₂和NO₂测量精度的要求，中国科学院安徽光学精密机械研究所采用染料激光器作为光源，研发新一代激光雷达。本文中介绍差分吸收激光雷达的探测原理、波长的选择、光源的设计与实现，最后给出探测NO₂浓度分布的实验结果。

差分吸收激光雷达是利用大气分子和气溶胶对发射光束的吸收和散射进行测量的。假设P(R)为距离R处的激光雷达回波信号，波长为λ的发射光束功率为P₀(λ)，在距离R处大气后向散射系数和消光系数分别为β(λ, R)和α(λ, R)，待测气体分子在波长λ处的吸收截面为σ(λ)，在距离R处的分子数密度为N(R)，系统的接收效率为η，望远镜的接收面积为A，ΔR是空间取样距离，则回波信号功率为^[14]：

在探测路径上同时或交替发射两束波长非常接近的激光，一束波长位于待测气体分子的吸收峰上，对待测气体有强烈的吸收作用，记为λ_on，另一个波长位于待测气体分子的吸收谷或吸收峰外，记为λ_off，这两束光的回波分别记为P_on(R)和P_off(R)，由(1)式可得传播路径上不同距离R处待测气体的分子数密度为：

式中，

式中，Δσ为待测气体分子在波长λ_on和λ_off处的吸收截面差，B, E_a及E_m分别为大气后向散射作用项、大气气溶胶消光作用项及大气分子消光作用项，统称为修正项；α_a (λ_on, z)和α_a (λ_off, z)为距离R处λ_on和λ_off波长大气气溶胶的消光系数；α_m (λ_on, z)和α_m (λ_off, z)为距离R处λ_on和λ_off波长大气分子的消光系数。

若λ_on和λ_off相差很小，则修正项B, E_a及E_m可以忽略不计。对(2)式进行差分运算，可得R到R+ΔR之间的平均值：

式中，ΔR为差分距离。由(2)式~(7)式可知，只有当λ_on和λ_off越接近时，修正项B, E_a及E_m的影响才越小。因此，λ_on和λ_off要尽可能选取波长间隔小且吸收截面差Δσ大的波长对，并尽量避开待测气体以外其它气体的吸收干扰。图 1是NO₂在230nm~630nm之间的光谱吸收截面^[15]。在450nm附近有几个吸收峰可用于差分吸收激光雷达测量，本文中选择λ_on(448.10nm)和λ_off(446.80nm)作为探测波长，而不选择λ_on左侧更高的吸收峰(447.92nm)，这是因为它的左侧0.05nm范围内谱线变化剧烈，如果激光器的波长略为漂移，吸收截面就会造成较大的误差。

Figure 1.  Absorption cross section of NO₂ and the position of λ_on and λ_off

按照APSOS项目中探测大气NO₂的测量指标，要求探测精度为10μg/m³，探测范围3.0km。参照AML系列车载式测污激光雷达的设计及探测结果^[11-13]，接收望远镜为直径350mm牛顿式望远镜，干涉滤光片滤波(中心波长447.50nm，带宽3.0nm，带外扼制比为OD5@200~1100nm，峰值透过率为70%)，光电倍增管选用日本滨松公司的H10426，数据采集卡为ADLINK公司的PCI-9826型(四通道，16bit，采样速率20MHz)。由(7)式可得差分吸收激光雷达的探测极限为：

由(8)式可知，当探测波长确定后，探测极限可通过空间分辨率和回波的功率比来调整，按所选元器件的性能，回波比的对数差值Δ≈1.2×10^-4，探测极限为10μg/m³。为确定激光器的能量，将从气溶胶消光系数、大气NO₂含量、激光雷达的几何因子和探测距离等因素来确定。回波的信噪比定义为^[16]：

式中，N_s为回波光子数，N_b为背景辐射光子数，N_d为光电倍增管的暗计数，M是激光累计脉冲数。设大气消光系数α对λ_on为0.6km^-1，而λ_off的消光系数按指数关系求出。NO₂水平均匀分布，浓度为30μg/m³，激光器的发射能量为5mJ，重复频率为10Hz。由(1)式和(9)式可计算出回波的信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)，其中，激光累计脉冲数M＝6000(对应测量时间10min)，图 2是其回波的信噪比。由图可知，当波长λ_on和λ_off两个回波随着距离的增大而衰减，λ_on衰减较快，信噪比大于10的范围约为0km~4.7km，信号的动态范围为6个数量级。发射系统采用与接收望远镜同轴的结构，盲区短，也可对近端信号进行压缩。图 3是几何因子及λ_on回波信号。经过系统几何因子对回波的压缩，把近距离的300m内强回波信号压下来，而后面的信号几乎不受影响，动态范围为4个数量级，方便光电倍增管的接收。

Figure 2.  Echo SNR of λ_on and λ_off

Figure 3.  Geometric factor and the compressed echo of λ_on wavelength

图 4是信噪比大于10时，最远探测距离随激光输入能量变化的情况。在消光系数α=0.6km^-1条件下，当输入能量从2mJ增大到4mJ时，最远探测距离增加300m；从4mJ增大到6mJ时，最远探测距离增加200m。由曲线可知，在满足探测距离的条件下，通过增大能量的方法来增大探测距离并不明显。比较两条曲线可知，在相同的激光能量下，消光系数系数对探测距离影响较大。

Figure 4.  Relationship between laser energy and the farthest detection distance

图 5是在信噪比大于10、测量距离大于3.0km条件下，不同消光系数下所需的能量。可以看出，消光系数越大时，所需的能量越高。消光系数α>0.6km^-1时所需的能量增长率远大于α < 0.6km^-1时。图 6是在信噪比大于10、测量距离大于3.0km条件下，大气中不同的NO₂含量所需的激光发射能量。可以看出，当大气中NO₂含量越高时，所需的激光发射能量大，但与气溶胶增量(消光系数)相比，所需发射能量的增量较为缓慢。为满足测量NO₂浓度的垂直廓线，以合肥科学岛上空气溶胶的典型分布为参考^[17]，假设NO₂的垂直分布为指数分布，大气分子的分布为中纬度模式。假定激光发射能量为5mJ，图 7是消光系数廓线及对应的回波信噪比。由于受气溶胶不均匀性的影响，回波有明显的起伏，信噪比大于10的高度为4.5km。如果消光系数采用中纬度模式分布，信噪比大于10的高度为6.5km。综合气溶胶在水平和垂直方向上的分布、NO₂含量、信噪比、几何因子和探测距离等因素的影响，确定激光器的输出能量为5mJ能满足要求。

Figure 5.  Relationship between the required energy and extinction coefficients (R_SNR>10, R_max>3.0km)

Figure 6.  Relationship between the required energy and NO₂ concentration (R_SNR>10, R_max>3.0km)

Figure 7.  The profiles of extinction coefficient and echo SNR

由于探测NO₂所用两个波长为λ_on(448.10nm), λ_off(446.80nm)，选用染料激光器作为光源比较方便。采用两台Nd: YAG激光器(美国Continnue公司的PL8010)的354.7nm波长分别抽运两台染料激光器(德国Radiant Dyes公司的NarrowScanK)的方式来实现。选用乙醇作溶剂，染料为香豆素(C450)，可产生这两个波长，转换效率约为15%。系统结构如图 8所示，主要参量如表 1所示。从两台染料激光器输出的这两束光，先用合束棱镜合为一束，再用望远镜扩束及调整发散角，最后通过3维扫描头射向大气。依据各个元件的传输效率，并预留20%的能量裕量，确定染料激光器的输出能量为10mJ，抽运用的Nd: YAG激光器354.7nm波长的能量不小于90mJ，而354.7nm波长是由1064nm波长的三倍频获得，这里不再赘述。

Figure 8.  Structure diagram of NO₂ differential absorption laser radar system

为了使输出光束的能量和波长稳定，需要先对Nd: YAG激光器预热，打开染料泵让染料液体循环稳流，30min后开始出光。用能量计监测能量，先后调整Nd: YAG激光器二倍频光532nm和三倍频光354.7nm晶体的角度，使输出光强度最大。调整、优化染料激光器光路，并用波面分析仪或光斑相纸观测光束波面的能量分布，反复调节，在光斑均匀的前提下使输出能量最大。调整λ_on比λ_off两束光路使其合成一束，然后由扩束镜扩束至24倍后，由反射镜导入接收望远镜的次镜M₇，再经3维扫描头射向大气。后向散射回波经望远镜接收、后继光路准直、滤波后由光电倍增管转换、采集单元记录回波信号，并由计算机处理后在屏幕上显示，图 3中的实线是系统的λ_on回波，除5.0km后因噪声影响而波动较大外，回波形状与仿真曲线较为接近。调整导向镜使回波信号的探测距离尽可能远，并通过调整Nd: YAG激光器的抽运能量，使两个回波的幅度基本一致。

NO₂差分吸收激光雷达的探测波长处于可见光波段，为了减小太阳背景辐射的影响，实验选择在夜间进行。同时，为了提高信噪比，每组信号λ_on比λ_off两个波长各6000个脉冲(对应的采集时间为10min)平均而成。对采集到的数据进行扣除背景、平滑滤波、修正两个通道几何因子并用(2)式反演大气NO₂的浓度廓线，其中的气溶胶系数采用Klett积分法反演并修正^[18]。

测量误差可分为系统误差和随机误差两大类。系统误差包括：(1)仪器误差，主要是on与off波长两束光的合束并与接收望远镜共轴引起的误差，通常小于4μg/m³；(2)气溶胶的后向散射和消光引起的误差，在能见度较好的晚间观测，气溶胶影响较小，而在重污染天气下，气溶胶影响较大，可通过对气溶胶的修正来减小其影响。随机误差包括：(1)与温度和压强有关的NO₂吸收截面的不确定性，通常小于3%；(2)统计误差，主要包含大气抖动、光电倍增管和采集卡的电子噪声、激光能量波动和波长漂移引起的误差。在450nm附近其它气体的吸收截面远小于NO₂，可忽略其它气体对NO₂的干扰^[19-20]。修正后的总测量误差小于10μg/m³。

采用本单位研制的NO₂差分吸收激光雷达，2017-06-13日夜间在淮南大气科学研究院进行了水平浓度观测。图 9a是当晚18:52~22:52的观测反演结果，每条廓线累计10min，从图中可以看到，在3μg/m³以内，信号信噪比较好，廓线相对集中。3km以外，随着探测距离的增大，由于大气的衰减和抖动影响，廓线变化较大，NO₂浓度基本在0μg/m³~60μg/m³范围波动。在0.5km~1.2km内浓度相对较高，是因为传播路径上0.8km处有工厂当时排放废气中含有较高浓度的NO₂气体为26.5μg/m³。在1.2km~3.0km内的平均水平浓度为18.5μg/m³，与当晚观测时段环境监测部门发布的NO₂浓度为15μg/m³基本符合。图 9b是探测路径上NO₂浓度的时间演变图，可以看出，在18:52~21:52时段内0.8km附近有几个明显的高浓度时间，表示对应的时空内存在排放源头，其它地方的NO₂的水平分布相对分散，符合对应这片区域是农田的特点。图 9c是时间分辨率为30min的廓线图，廓线相对集中。图 9d是把时间分辨率分别设置为30min, 20min和10min的水平浓度平均值廓线及对统计误差图。统计误差既包含仪器的测量误差，也包含测量时段NO₂浓度的变化。由(9)式可知，增加累加脉冲数M可使信噪比提高$\sqrt{M}$倍，其统计误差在信噪比较好的1.5km~2.5km处之比为1.838: 1.473: 1，统计误差分别为8.669μg/m³, 5.879μg/m³和4.717μg/m³，符合设计指标要求。

Figure 9.  Horizontal profile of NO₂ concentration

图 10是2017-06-14T20:50~24:00进行的垂直探测廓线。在0.5km~3.0km范围内，NO₂浓度在(0~64)μg/m³范围内波动，随着高度的增加，浓度总体上呈减小趋势。近地面0.5km~1.5km的平均值为39.2μg/m³，与环保部门发布的42μg/m³基本符合。高度1.5km以下廓线波动较大，1.5km以上波动相对较小，可能与当晚近地面大气波动较大，上方相对平稳有关。

Figure 10.  Vertical profile of NO₂ concentration

差分吸收光谱技术是探测大气NO₂的有效方法。准确选择并产生探测所需的λ_on和λ_off两个波长是整个系统的关键。通过对NO₂吸收谱的比对，结合本系统所用激光器的波长稳定性，选择强吸收波长λ_on(448.10nm)而不选择λ_on左侧更高的吸收峰(447.92nm)，虽然灵敏度略为降低，但可减少因波长漂移而使吸收截面急剧下降引入的误差。弱吸收λ_off(446.60nm)选择在λ_on附近的波谷位置，减小气溶胶的影响。为满足探测距离反演精度，激光器的输出能量必须使回波满足一定的信噪比。通过对水平和垂直方向上的大气中气溶胶、NO₂含量的分布、回波信噪比、探测距离和几何因子等因素的综合考虑，确定采用波长为354.7nm、能量不小于100mJ的Nd: YAG激光器抽运染料激光器，选用C450为染料，可获得能量为8mJ的输出光束。通过长期对进行大气NO₂浓度观测，测量结果合理，系统工作稳定可靠。