基于激光雷达技术的粉尘污染源监测吕阳;李正强;谢剑锋;张丰;刘小强;刘诏;谢一凇;许华;陈兴峰【摘要】针对粉尘污染点源数量多、夜间偷排偷放监测难等问题,环保监测迫切需要发展新一代遥感监测技术,为环境保护提供技术支撑.激光雷达具有远距离、全天时监测的优势,可实现对污染源的客观、全天时监测.为了验证激光雷达主动遥感技术监测粉尘污染源排放的可行性,在河北省组织了一次粉尘污染源的Lidar监测实验,在进行距离校正的基础上,发展了Lidar点源污染监测指数因子方法.结果表明:烟尘排放浓度与Lidar指数因子具有较好的一致性,校正决定系数可达0.94.在稳定排污的情况下研究Lidar指数因子的限值,结果显示,将指数因子的限值设为2.3时,与在线监测的一致性可以达到99％以上.%To address the large number of point pollution sources and shortage of night monitoring means,there is a pressing need to provide remote sensing monitoring technology supporting for environment protection.With the advantage of long range detection and the capability of working at all time,lidar can provide an objective,continuous and real-time monitoring for a point pollution source.An excess emission experiment was carried out in Hebei province to confirm the feasibility of lidar using in point pollution source monitoring.A lidar index factor method was submitted based on the distance correction.And result showed that there was a positive relationship between the dust emission concentration measured by on-line monitoring instrument and lidar index factor (r=0.94).Furthermore,with the threshold of 2.3,the detection accuracy up to 99％ was achieved using lidar index factor under a stable pollution emission.【期刊名称】《中国环境监测》【年(卷),期】2018(034)002【总页数】7页(P130-136)【关键词】激光雷达;粉尘排放;点污染源【作者】吕阳;李正强;谢剑锋;张丰;刘小强;刘诏;谢一凇;许华;陈兴峰【作者单位】中国科学院遥感与数字地球研究所国家环境保护卫星遥感重点实验室,北京100101;中国科学院大学,北京100049;中国科学院遥感与数字地球研究所国家环境保护卫星遥感重点实验室,北京100101;河北省环境监测中心站,河北石家庄050000;河北省环境监测中心站,河北石家庄050000;河北省环境监测中心站,河北石家庄050000;中国科学院遥感与数字地球研究所国家环境保护卫星遥感重点实验室,北京100101;中国科学院大学,北京100049;中国科学院遥感与数字地球研究所国家环境保护卫星遥感重点实验室,北京100101;中国科学院遥感与数字地球研究所国家环境保护卫星遥感重点实验室,北京100101;中国科学院遥感与数字地球研究所国家环境保护卫星遥感重点实验室,北京100101【正文语种】中文【中图分类】X87随着经济快速发展，城市规模不断扩大，大气污染已经严重影响了人们的生产生活[1-2]；虽然大部分排污企业已按要求安装了污染排放在线监测仪器来采集烟气流速、浓度及硫化物和氮化物等含量信息。
但是各厂家的监测仪器仪表不尽相同，监测数据对比性差，使得大量观测数据无法共享使用。
同时，这些仪器仪表由于安装和监管等问题，无法完全排除人为影响。
遥感技术用于大气污染探测，具有客观及非接触等优势[3-4]。
但是，常用的被动遥感，一方面受限于辐射源[5]，无法实现全天时探测；另一方面受限于面观测，只能获得柱信息[6]。
激光雷达技术作为探测大气颗粒物的新型主动遥感工具[7-8]，在颗粒物变化监测方面具有全天时、大范围、廓线探测等独特优势。
作为一种新型技术，激光雷达在应用到实际监测过程中时，还存在一些技术和应用方面的问题，需要通过现场实验进行梳理以获得解决和发展。
研究通过实验，对一个污染源的排污进行激光雷达监测，分析烟尘排放强度与激光雷达信号间的关系，验证激光雷达技术用于粉尘污染源排放监测的可行性。
1 实验部分1.1 主要仪器实验采用地基微脉冲激光雷达作为主要的观测仪器，该仪器型号为CE370-2(法国)[9]。
它根据大气对激光的散射、吸收等物理效应，通过定量分析激光大气回波，进行大气参数探测。
主要由激光器、发射及接收望远镜系统、光电转换系统、高速数据接收处理系统和软件系统组成。
高方向性、高亮度和高脉冲重复率，使激光雷达可以对大范围大气进行实时快速监测。
此外，微脉冲技术具有对人眼安全的优势。
激光雷达的主要技术参数见表1。
表1 CE370-2型微脉冲激光雷达主要技术参数Table 1 Specification of CE370-2 Lidar system技术指标技术参数波长/nm532激光器功率/mW50～100激光器输出能量/μJ8～20脉冲重复频率/kHz47脉冲宽度/ns<15望远镜直径/mm200激光器总光束发散度/μrad55望远镜视场(FOV)接收/μrad55垂直分辨率/m15最大垂直测量范围/km301.2 实验地点实验地点位于河北省西南部，太行山中段东麓，地势西高东低。
区域内公路、煤场、矿场、水泥厂等散布。
研究以区域内水泥厂的一个排污烟囱为观测目标(图1)，通过激光雷达定点监测，分析主动激光雷达技术对偷排偷放的监测能力。
该水泥厂采用布袋除尘方式，除尘率在99%以上。
在水泥生产时，原料经过皮带机的输送进入生料磨，同时增湿塔的烟气喷入生料磨，帮助生料进行粉磨。
生料粉磨出来的物料，即生料，进入高效旋风分离器，进行分离，粉尘进入窑尾收尘器，生料落下，经过皮带机或螺旋输送机，送入生料均化库。
图1 实验地点和观测方向示意图Fig.1 Top view of observation area and direction在河北省环境监测中心站的监控下，工厂在烟囱下方安装了在线监控设备，数据实时上传至河北省环境监测中心站，并定期利用河北省环境监测中心站的标准仪器对工厂的仪器设备进行对比标定。
在线监控设备工作原理是将烟尘采样管由采样孔放入烟道，应用皮托管按等速采样要求抽取一定量的含尘气体，根据滤筒捕集的烟尘重量以及抽取的气体体积，计算颗粒物的排放浓度及排放总量。
测试仪同时应用定电位电解法定性或定量测定O2、SO2、CO、NO、NO2、H2S、CO2等气体的含量，同时提供烟气温度、含湿量等参数。
该仪器可用于各种锅炉、炉窑烟尘(气)的排放浓度或总量测定。
实验中自动烟尘(气)测试仪用于探测烟囱口处排放颗粒物的浓度，为激光雷达探测信号值的比照提供参考数据。
1.3 实验方案将水泥厂的3号窑尾烟囱作为观测对象，地表宽广平整的花坛作为观测点，该观测点距观测对象约750 m。
从2015年6月9日17∶10—10日04∶00对3号窑尾烟囱进行观测，通过观察实时数据接收界面，直观与烟尘排放浓度变化对比。
然后设置一个激光雷达信号指数因子，与在线仪器获取的烟尘排放浓度统计分析，验证两者可对比性。
实验从2015年6月9日17∶10开始。
首先进行了约3 h的观测，用以确定污染源排放的稳定性及Lidar信号的可对比性。
其中，17∶10—19∶10风速较小、大气稳定，认为是稳定排污过程；然后拔除除尘袋，增加排污强度(表2)，并观察Lidar信号的变化；23∶30结束封闭气室，排污强度再次降低。
表2 激光雷达粉尘点污染源监测实验过程Table 2 The experimental process of dust point pollution source monitoring using Lidar观测时间激光雷达观测观测地点观测方式高度角/(°)方位角/(°)Lidar文件排放控制备注17∶10花坛边定点倾斜1023062 150609＿092008～150609＿123005开始观测Lidar观测按秒记录20∶25花坛边定点倾斜1023062150609＿123005关闭阀门20∶28花坛边定点倾斜1023062150609＿123005一个气室完全关闭20∶37花坛边定点倾斜1023062150609＿125007开始拆袋子21∶00花坛边定点倾斜1023062150609＿131008完成拆袋21∶08起风21∶14花坛边定点倾斜1023062150609＿133008封闭气室门21∶23花坛边定点倾斜1023062150609＿133008准备开闸21∶26花坛边定点倾斜1023062150609＿133008开闸21∶39花坛边定点倾斜1023062150609＿135009准备开磨机22∶23花坛边定点倾斜1023062150609＿143006开风机22∶24花坛边定点倾斜1023062150609＿143006开磨机23∶30花坛边定点倾斜1023062150609＿153005封闭气室04∶10花坛边定点倾斜1023062 150609＿155006～150609＿201005结束观测2 数据处理2.1 激光雷达探测原理激光雷达探测大气的基本原理即激光与大气相互作用的机制。
激光器产生的激光束经发射到大气中，在大气中遇到空气分子、气溶胶等成分便会发生散射、吸收等作用。
散射中的小部分能量(后向散射光)落入接收望远镜视场被接收。
其基本原理可以用公式来表示：(1)式中：P(Z)为接收的信号，Z为信号到激光雷达的距离，C为激光雷达系统常数，E为激光脉冲能量，β为后向散射系数，T2为双向透过率。