全天时大气生物气溶胶探测激光雷达技术及实验观测研究

Biological aerosols in atmosphere, including bacteria, fungi, viruses, pollens, spore, etc. have significant impacts on human health and national defense, as they could cause epidemic diseases and be released as biological weapons. It is of great importance to develop new monitoring devices with high spatial resolution to obtain spatial distribution, as measurements of biological aerosol concentration with traditional devices are hardly real-time and, usually taken in-situ at a single point. A novel multi-wavelength fluorescence lidar used 266 nm as excited radiation, has been proposed based on the principle of laser induced fluorescence. A combination of new fluorescence spectroscopy with high efficiency being developed, corrected algorithm on UV absorption of ozone, and retrieved technique of lidar returns, allows to achieve the aim of real-time measurements of biological aerosols at day- and night-time. We believe that the developed multi-wavelength fluorescence lidar would open new lidar capabilities on identifications of biological aerosols and their transport monitoring.

大气中具有生命活性的颗粒物被称为生物气溶胶，主要由细菌、真菌、病毒、花粉、孢子和动植物碎裂分解体等粒子组成，其在空气中扩散极易传播和发生各种流行疾病，也是军事生物武器投放的主要形式，对其实时监测技术事关公共卫生与国防安全，具有重要的研究意义。本项目针对现有的点采样监测技术难以实现有效地早期预警和跟踪测量的难题，提出了基于激光诱导生物荧光效应的新型激光雷达监测技术，研究以266nm日盲波段激光为激励源的多波段荧光激光雷达大气生物气溶胶探测技术，以期实现全天时生物气溶胶浓度的空间分布探测及粒子种类的初步识别。重点研究高精度荧光精细提取的新型光谱检测系统，底层高浓度臭氧吸收紫外信号的修正技术，系统设计与集成方法以及荧光信息反演算法，构建全天时荧光激光雷达实验系统并开展实验观测研究，为解明生物气溶胶来源、区域传送、疫情判断等亟待解决的关键科学问题提供技术支持。

大气生物气溶胶包括细菌、真菌、病毒、花粉、孢子等粒子，其在空气中扩散极易传播和发生各种流行疾病，也是军事生物武器投放的主要形式，对其实时监测技术事关公共卫生与国防安全。项目针对当前的点采样监测技术难以实现有效地早期预警和跟踪测量的难题，提出基于激光诱导生物荧光效应的新型激光雷达监测技术，研究了以266nm日盲波段激光作为激励源的多波段荧光激光雷达大气生物气溶胶探测技术，基于不同波长光散射对粒子大小和形状的依赖性，实现了全天时生物气溶胶浓度的空间分布探测及粒子种类的初步识别。研究了高精度荧光精细提取的新型光谱检测系统，同时引入光放大校正因子，完成探测通道归一化处理，消除光电探测器性能、高压不稳等因素对信号提取的影响；重点研究了底层高浓度臭氧吸收紫外信号的修正技术，开展紫外吸收相近波段多通道探测，引入拉曼校正信号，通过多通道实验观测数据迭代计算，获得精确的修正值，构建紫外激光诱导荧光雷达回波信号的修正方法；完成了系统设计与集成，开展了连续实验观测研究，建立荧光信息反演模型，得到不同季节、不同天气条件下的生物气溶胶数浓度，并对观测结果进行不确定度分析，给出了生物气溶胶探测结果的可依赖性，为解明生物气溶胶来源、区域传送、疫情判断等亟待解决的关键科学问题提供技术支持。