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差分吸收激光雷达测量大气臭氧

引言
臭氧在大气辐射中起重要的作用，它可以有效吸收对动植物包括人类在内有害的紫外辐射。臭氧吸收太阳辐射的能量是平流层和中层大气的重要能量来源。,对流层臭氧约占臭氧总量的10%。臭氧作为强氧化剂,积极参与对流层的许多化学过程,是光化学烟雾的发起者。在地面,高浓度的臭氧对动植物都有害。随着人类的工业活动增多,对流层臭氧有逐年增加的趋势。自从1986年南极臭氧洞被发现以来，臭氧含量的变化受到了全球的关注。臭氧测量是研究臭氧变化的基础。差分吸收激光雷达（DIAL）测量大气中的微量气体成分的方法最先由Schotland在水汽测量中提出来,而后得到不断地发展。差分吸收激光雷达测量大气臭氧的优点是测量范围大、分辨率高、精度较高、实时快速、能够监测臭氧的时空变化。
差分定义
根据Bouguer-Lambert-Beer定理，当激光束波长与某污染气体分子的吸收线中心重合时，激光束在传播过程中将由于该种分子产生的共振吸收而强烈衰减，从衰减程度可以确定此种污染气体分子的浓度。为了减小大气中其他气体分子和气溶胶以及仪器参数等对探测精度的影响，可以采用差分吸收方法。差分吸收激光雷达以同一光路向大气中发射波长接近的两束脉冲激光。其中一个波长处于被测气体的吸收线上，它被待测气体强烈吸收；另一个波长处于待测气体的吸收线的边翼上或吸收线外，待测气体对它吸收很小或没有吸收。由于这两束激光波长相近，对其它气体分子和气溶胶的消光基本相同，两束激光的回波强度的差异只是由待测气体分子的吸收引起。从而根据两个波长回波强度的差异可以确定待测气体分子的浓度。选择测量臭氧浓度的波长时，要考虑臭氧的测量精度和测量范围。不仅要求两束激光波长之间有较大的臭氧吸收截面之差，而且必须使瑞利和米散射截面以及其它存在的气体分子(除臭氧外)的吸收差别很小。对于给定的两个测量臭氧的激光波长，最大的探测高度取决于很多因素，如臭氧的吸收截面，测量时臭氧浓度的垂直分布，气溶胶和分子的消光，探测器的灵敏度，可利用的动态范围，激光的输出功率和噪声来源等等。波长266nm对臭氧的吸收很强，可以提供很大的吸收截面。但它在大气中衰减得很快，只能用于低对流层的探测。对于300nm以上的波长，在对流层臭氧浓度下吸收很小，可以穿透高臭氧浓度的平流层。
算法
下面就差分吸收激光雷达测量臭氧的估算原理式进行推导。首先给出Lidar(LightDetectionandRanging)雷达方程原理式：
①
式①中是波长时高度处雷达回波信号强度；
是波长的雷达发射初始信号强度；
是仪器参数；
是波长时高度处的体后向散射截面；
是其他气体分子的衰减系数；是气溶胶的衰减系数；
是高度的待测物质浓度；是波长时高度处的吸收截面。
可以令②
将②代入公式①，并对公式两边求得：
③
令代入③得：
④
由公式③-④得：
⑤
由公式⑤继续推得：
⑥
⑦
再由公式⑥-⑦得：

即：

⑧
公式⑧中：
为臭氧差分吸收截面；
；。
因此得到估算值：

误差说明
由公式⑧写成：⑨。
公式⑨中，
是后向散射误差；
是消光误差，是在高度上波长消光系数（不包括臭氧吸收）。
两项分别代表大气后向散射和消光的贡献。在气溶胶含量少的情况下，接近于0，可以忽略，可以利用分子的消光进行订正。垂直廓线可以利用DIAL方程从雷达回波信号中计算出来。在气溶胶含量多或者分布不均匀时，不能忽略，气溶胶的影响必须考虑。