技术领域
[0001] 本发明涉及大气污染监测设备校准方法，具体涉及一种激光雷达气溶胶参数的校准方法。
相关背景技术
[0002] 激光雷达大气遥感技术可以用于温度、压力、湿度、风、微量气体、云和气溶胶等多种目标的观测。在大气气溶胶的观测中，利用激光雷达可以测量得到消光系数等光学参数，而大气气溶胶的浓度等参数需要通过其它方法测量，再为激光雷达的测量提供参考或基准，从而对其测量结果进行校准，这就需要在激光雷达测试的同时对空中大气气溶胶的组成和浓度进行取样分析或观测。大气气溶胶的基准测量仪器一般用颗粒物浓度监测仪，技术原理包括重量法、β射线吸收法和振荡天平法等，这些仪器适合于大气中颗粒物污染状态变化较慢的情况。对于爆炸事故或火灾等特殊场景，大气气溶胶或烟云的变化过程很快，相应地，也要求激光雷达的校准要有快速的时间和空间分辨率，现有的方法难以适应这一要求。
具体实施方式
[0036] 本发明一种激光雷达气溶胶参数的校准方法，具体包括以下步骤：
[0037] 步骤1，布设激光雷达2、飞行采样装置3和图像采集单元4。
[0038] 步骤2，发射飞行采样装置3，使飞行采样装置3穿过大气气溶胶污染云团1，获得空气动力学直径小于等于20微米的颗粒物实测颗粒物质量浓度，并获取飞行采样装置3的飞行轨迹；利用激光雷达2和图像采集单元4对大气气溶胶污染云团1进行观测。
[0039] 激光雷达2用于观测大气气溶胶污染云团1的颗粒物相对质量浓度空间分布。
[0040] 飞行采样装置3在大气气溶胶污染云团1的运行方向与激光雷达2的出射光方向平行。飞行采样装置3通过弹射装置5发射；激光雷达2、弹射装置5以及图像采集单元4的时间预先同步，以飞行采样装置3的发射时间为触发，发送信号给激光雷达2和图像采集单元4，确保激光雷达2和图像采集单元4的时间同步。
[0041] 本实施例中，在飞行采样装置3中设置气溶胶收集装置，用于采集气溶胶样品，实测颗粒物质量浓度通过回收气溶胶样品后由实验室测量获得。
[0042] 在本发明的其它实施例中，也可以在飞行采样装置3中设置经过校准的气溶胶传感器，实测颗粒物质量浓度通过气溶胶传感器在线探测获得。
[0043] 图像采集单元4用于观测大气气溶胶污染云团1轮廓并获取飞行采样装置3的飞行轨迹。图像采集单元4包括多套光学图像采集装置，光学图像采集装置可以采用可见光图像采集装置，还可以采用红外拍摄装置或成像雷达等光学成像装置，本实施例中，图像采集单元4包括设置至少3套可见光图像采集装置，完成360°大气气溶胶污染云团1的图像拍摄，根据可见光图像采集装置视场无遮挡、能捕捉飞行采样装置3穿过大气气溶胶污染云团1全过程的要求，确定可见光图像采集装置与大气气溶胶污染云团1生成原点的距离，以该原点为圆心、可见光图像采集装置与烟云生成原点的距离为半径，各可见光图像采集装置沿着圆周等角度布设，并确保有一台的拍摄方向与飞行采样装置3轨迹平面垂直。
[0044] 根据可见光图像采集装置捕捉的飞行采样装置3采样全程的图像数据，通过图像分割、轮廓拟合、边缘检测等处理获得大气气溶胶污染云团1的闭合曲线轮廓函数，结合可见光图像采集装置的距离、焦距、成像传感器尺寸参数，计算对应时刻的烟云体积，在图像中识别飞行采样装置3飞行轨迹，从而获得采样器进出烟云的时刻和位置。
[0045] 步骤3，改变飞行采样装置3的飞行轨迹，重复步骤2获得多个不同采集点位的实测颗粒物质量浓度。
[0046] 步骤4，根据飞行采样装置3的飞行轨迹和大气气溶胶污染云团1轮廓筛选不同采集点位的实测颗粒物质量浓度，得到在大气气溶胶污染云团1内的有效点位对应的实测颗粒物质量浓度；根据大气气溶胶污染云团1的颗粒物相对质量浓度空间分布反演得到有效点位对应的消光系数。
[0047] 利用颗粒物相对质量浓度空间分布，基于Klett方法结合分段斜率法来反演得到大气气溶胶污染云团1的消光系数。消光系数如下式所示：
[0048]
[0049] 其中，α(z,λ)为激光雷达2接收距离z处的大气气溶胶污染云团1的消光系数，X(z,λ)为激光雷达2接收距离z处气溶胶的回波信号，α(zc,λ)是分段斜率法得到的大气气溶胶污染云团1边界值处的消光系数，X(zc,λ)分段斜率法得到的大气气溶胶污染云团1边界值处的回波信号，zc为大气气溶胶污染云团1边界值处的激光雷达2接收距离，k为激光雷达2系统常数，λ为激光波长。
[0050] 步骤5，利用有效点位对应的实测颗粒物质量浓度及消光系数校准大气气溶胶污染云团1的光学遥感测试模型的系数，光学遥感测试模型如下所示：
[0051] PMx＝b+K*α
[0052] 其中，PMx代表空气动力学直径小于等于20微米的颗粒物质量浓度，b和K为拟合系数，α为有效点位对应的消光系数。
[0053] 本实施例中，激光雷达2采用米散射激光雷达2，利用米散射激光雷达2获取目标大气气溶胶污染云团1中颗粒物在特定区域的光学消光系数反演结果，并以定向遥测的方式获取特定区域即大气气溶胶污染云团1中颗粒物相对质量浓度的空间分布。如图2所示米散射激光雷达2的现场布局示意图中，激光雷达2连接相应的电控箱12，并通过激光雷达测控终端11对其进行控制，其发射端对应设置通光窗口13，出射光穿过通光窗口13到达大气气溶胶污染云团1，为提高激光雷达2测量大气气溶胶污染云团1反演的消光系数和飞行采样装置3数据之间的相关拟合精度，要求飞行采样装置3在大气气溶胶污染云团1的飞行方向与激光雷达2的出射光方向平行，并且二者之间的平行间距尽可能小，优选飞行采样装置3与激光雷达2出射光之间的平行间距小于4米，立体角小于0.5°。大气气溶胶污染云团1中的颗粒物在一定的气象条件下的光学消光系数与其质量浓度之间存在相关关系，因此，利用反演得到的消光系数与实测的颗粒物质量浓度进行相关性拟合，可以得到如图3所示的映射关系，从而能够获取目标大气气溶胶污染云团1光学消光系数与颗粒物质量浓度的关系式，建立一种针对大气气溶胶污染云团1的光学遥感测试模型；本发明中优选在晴朗天气，能见度距离优于1公里，相对湿度小于90％，最大风速小于10m/s的气象条件进行校准，保证2
校准的准确性，拟合得到的关系式为：PMx＝10.44+196.30α，此时相关性系数R为0.957，表示映射关系式与真实质量浓度的吻合度高。后续在相同场景下，利用该光学遥感测试模型反演得到其他大气气溶胶污染云团1颗粒物的质量浓度。
[0054] 在本发明的其他实施例中，飞行采样装置3中设置有陀螺仪；飞行采样装置3的飞行轨迹通过图像采集单元4或者飞行采样装置3的陀螺仪获取；图像采集单元4用于观测大气气溶胶污染云团1轮廓。
