星载激光雷达探测大气二氧化碳浓度的模拟与反演研究

发布时间：2017-03-30 20:02

  本文关键词：星载激光雷达探测大气二氧化碳浓度的模拟与反演研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：大气中的二氧化碳是导致全球变暖的重要的温室气体之一,为了准确掌握全球二氧化碳气体含量及其源和汇的分布,迫切需要一种能够精确探测全球二氧化碳浓度分布的有效方法。现有的全球二氧化碳浓度分布数据可由分布在全球的约100个站点组成的观测网络获得,但是由于观测站的数量有限,数据在全球范围内的空间分辨率不足,不足以得出可信的分析结果。为了进一步提高全球观测的覆盖率,近年来很多国家的研究单位都开展了星载被动探测设备的研制。但是,由于传感器接收的是太阳光辐射或者地气系统辐射,因此具有难以实现高纬度地区的探测,全球数据覆盖率较低以及探测精度不足等缺点。针对以上探测手段的不足,欧空局与美国宇航局分别提出了A-SCOPE和ASCENDS卫星计划,这两颗卫星拟搭载的均是主动式路径积分差分吸收(Integrated Path Differential Absorption, IPDA)激光雷达,它交替发射两束激光,一束激光波长位于二氧化碳吸收谱线某一吸收峰附近吸收较强的位置,称为on-line,另一束激光位于吸收很弱或者不吸收的位置,称为off-line。通过对这两束激光的回波信号进行比较可以提取出其中有关二氧化碳浓度的信息。IPDA激光雷达不仅能弥补以上所述被动探测传感器的不足,而且具有1ppmv的高精度探测能力。目前,以上两台星载激光雷达系统还处于前期预研阶段,尚未实现业务化运行。在此背景下,本文对IPDA激光雷达测量二氧化碳浓度涉及到的仿真模拟和反演算法等问题进行了研究,本文的主要研究内容如下：第一、基于星载差分吸收激光雷达测量全球CO2柱体积加权混合比(简称CO2柱浓度)的基本原理和基本流程,针对典型的系统光学参数、大气参数以及平台参数模拟了在不同地表反射率与气溶胶光学厚度下地面的回波光子数、APD探测器输出信号电压、on-line与off-line回波信号信噪比以及由信噪比引入的随机误差,根据实际的MODIS卫星地球表面反射率与气溶胶光学厚度数据,本文得到了测量随机误差全球分布图,结果显示,在特定的系统光学参数、大气参数、星载平台参数以及探测器参数下,IPDA激光雷达在全球范围内具有良好的探测性能。此外,本文还模拟分析了大气参数(大气温度、大气压强和空气相对湿度)的测量误差和激光雷达系统光学参数(激光线宽、激光频率漂移、激光光谱纯度和发射激光能量监测精度)对CO2柱浓度测量精度的影响。结果表明,当大气温度测量精度为0.5K时,引起的反演误差为0.0212%,若以平均柱浓度380ppmv计,约合0.081ppmv;压强测量精度为0.5hPa时,引入的反演误差为O.027%(0.103ppmv);当相对湿度偏测量精度为5%时,引入的反演误差为0.012%(0.046ppmv);当激光能量监测精度为0.05%时,引入的相对误差为0.028%(0.105ppmv);激光线宽为30MHz时,引入的相对误差为0.0036%(0.0137ppmv);激光频率漂移为0.3MHz时,引起的二氧化碳柱浓度绝对误差约为0.1ppmv；当光谱纯度为99.9%且光学滤波器带宽为6GHz时,绝对误差约为0.109ppmv.根据以上误差分析结果,本论文进行了总体参数的误差源分配,结果显示,当大气温度测量精度为1K,大气压强测量精度为1hPa,相对湿度测量精度为10%,激光能量监测精度为0.2%,激光线宽为70MHz,激光频率漂移为0.9MHz,光谱纯度为99.9%且光学滤波器带宽为42GHz时,总体反演误差为0.236%(0.8988ppmv),基本满足1ppmv测量精度要求。第二、根据系统光学参数和大气参数对反演结果的影响,本论文进行了反演算法的校正研究,并利用模拟的地面回波信号进行了反演算法的数值验证,以保证反演精度。进行这一验证的必要性在于：由于反演结果的数量级在百万分之一(ppm),所以即使在理论上反演算法是正确的,在实际应用中,其数值计算的精度的改变也会对反演结果造成较大的偏差,通过数值验证可以了解这种偏差具体的大小以及如何最大限度降低这些偏差。另外,还对数值验证过程中遇到的两个关键问题(C02吸收截面的计算和大气分层高度间隔的选取)进行了讨论。总之,本文基于一些典型的系统参数和大气参数研究了用于二氧化碳柱浓度测量的星载差分吸收激光雷达性能仿真模拟与反演方法研究,这是星载IPDA激光雷达系统预研阶段重要的环节,误差仿真的结果对于硬件系统参数指标的设计具有重要的指导意义,反演算法的研究则是进行二氧化碳柱浓度精确反演的前提。
【关键词】：星载路径积分差分吸收激光雷达 二氧化碳柱浓度 性能仿真模拟 反演算法
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P407;X16
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 1 前言13-18
• 1.1 研究背景13-15
• 1.1.1 被动探测技术概述13-14
• 1.1.2 主动探测技术研究进展14-15
• 1.2 本文研究内容与结构安排15-18
• 2 星载IPDA激光雷达原理18-29
• 2.1 气体分子吸收光谱18-24
• 2.1.1 大气气体吸收概况18-24
• 2.1.1.1 谱线增宽效应及其线型20-22
• 2.1.1.2 吸收系数22-24
• 2.2 HITRAN数据库简介24-25
• 2.3 星载IPDA激光雷达二氧化碳测量原理25-29
• 2.3.1 星载IPDA激光雷达地面回波测量原理25-27
• 2.3.2 星载IPDA激光雷达二氧化碳反演原理27-29
• 3 星载IPDA激光雷达性能仿真模拟29-53
• 3.1 星载IPDA激光雷达随机误差模拟29-38
• 3.1.1 随机误差模拟方法29-34
• 3.1.2 随机误差全球分布34-38
• 3.2 大气参数测量误差模拟38-42
• 3.2.1 大气温度38-39
• 3.2.2 大气压强39-40
• 3.2.3 相对湿度40-42
• 3.3 激光雷达系统光学参数误差模拟42-51
• 3.3.1 发射激光能量监测精度42-43
• 3.3.2 激光线宽43-45
• 3.3.3 激光频率漂移45
• 3.3.4 光谱纯度45-51
• 3.4 误差源对比51-52
• 3.5 误差分配52-53
• 4 星载IPDA激光雷达CO_2柱浓度反演算法研究53-63
• 4.1 反演算法的校正53-56
• 4.1.1 发射激光能量起伏53
• 4.1.2 激光频率漂移53-54
• 4.1.3 湿空气54-55
• 4.1.4 光谱纯度55-56
• 4.2 反演算法的数值验证56-63
• 4.2.1 CO_2吸收截面的计算56-59
• 4.2.2 高度间隔的选取59-60
• 4.2.3 反演算法的数值验证60-63
• 5 总结与展望63-65
• 参考文献65-69
• 致谢69-70
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果70

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