激光外差光谱技术及反演方法研究

发布时间：2020-11-07 19:24

　　 二氧化碳和甲烷是大气中重要的温室气体,也是气候变化的主要驱动因素。人类活动和人为排放是大气温室气体含量增加的主要原因,尽管温室气体的建模和观测能力取得了很大的进展,但大气、陆地和海洋之间碳循环过程尚未得到充分的了解,对全球气候变化的预测还存在着相当大的不确定性。近年来,监控大气温室气体垂直廓线分布的仪器主要为高分辨率傅里叶变换光谱仪,但其存在系统复杂、体积庞大、价格昂贵、维护成本过高,难以普遍使用等缺点。因此选择具有体积小、光谱分辨率高、易集成等优点的地基激光外差光谱辐射计(LHR)。该系统已用于多种气体的遥感探测,满足了广泛需求。论文围绕大气温室气体柱浓度和垂直廓线反演算法及波长调制激光外差光谱技术开展研究。论文的主要工作及成果为:(1)编写了一套基于高分辨率激光外差光谱温室气体CO2和CH4柱浓度及廓线反演算法,并建立了系统测量误差的近似评估方法。通过近9个月的实验观测,测得XCH4的标准偏差为3～17ppb,XCO2的标准偏差为0.7～2.2ppm,对应的相对测量精度范围分别为XCH4 0.15%～0.7%和XCO2 0.17%～0.5%,测量结果与同期GOSAT数据进行了对比,两者变化趋势一致。(2)开展了波长调制激光外差光谱和频分复用波长调制激光外差光谱技术研究。与传统LHR相比,WM-LHR系统中CH4(1.653 μm)的系统信噪比提高了 1.31倍。为了满足多组分同时探测,将频分复用技术应用于WM-LHR,利用单个探测通道实现了大气CH4和CO2的同时探测。此外,还研究了不同调制频率对外差信号的影响。(3)搭建了一套全数字化、全光纤化的近红外免标定波长调制激光外差辐射计(CF-WM-LHR),用于测量大气CH4柱浓度。该系统采用了基于LabVIEW设计的软件信号发生器和软件数字锁相放大器。通过对比软件数字锁相的解调结果与SR830数字锁相放大器的解调结果,验证了软件数字锁相放大器的性能,并且利用该软件数字锁相放大器同时解调,得到了 WM-LHR信号的1f、2f、2f/1f信号,验证了 CF-WM-LHR系统的可行性,并给出了波长调制激光外差光谱技术的迭代反演方案。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：X831;TN249
【部分图文】：

第一章引言??效应却要比Ｃ〇２强３４倍［１３］，因此对Ｃ〇２和ＣＨ４这两种温室气体浓度变化的??研宄具有非常重要的意义。??图１．２为国家海洋和大气管理局（ＮＯＡＡ）以及地球系统研宄实验室的全球??监测部门给出的全球二氧化碳［１４］和甲烷［１５］的月平均变化数据。图１．２（ａ）??显示了自１９８０年以来的探测数据，纵坐标为千空气二氧化碳的混合比，其定义??为除去水蒸气后，二氧化碳分子的数量除以空气中所有分子的数量，单位为ｐｐｍ。??图中带红色菱形的虚线表示为月平均值，黑色方形符号代表经过修正后的季平均??结果。而１．２（ｂ）图显示了从海洋表层站点测得的全球月平均大气甲烷浓度，图??中红色圆圈代表月平均值。该黑正方形显示长期趋势（滑动平均结果），甲烷浓??度也是干空气甲烷的混合比，定义为除去水蒸气后甲烷的分子数除以分子总数，??单位ｐｐｂ。从图ａ、ｂ可以看出，二氧化碳及甲烷总体上均呈上升趋势，但是每个??月也有明显的周期性变化。上述观测均为地表观测，温室气体的柱浓度，受地气??交换影响较小，与区域排放通量具有更直接的相关性。大气Ｃ０２在８０?ｋｍ以下??近似为均匀分布，大气ＣＨ４在１５?ｋｍ以下近似为均匀分布，但１５?ｋｍ以上呈现??为近似线性下降。因此，为了更好的理解人为温室气体排放，需要测量温室气体??的柱浓度以及大气垂直分布信息。??ＧＬＯＢＡＬ?ＭＯＮＴＨＬＹ?ＭＥＡＮ?Ｃ０２?ｇｌｏｂａｌ?ｍｏｎｔｈｌｙ?ｍｅａｎ?ｃｈ＾??；｜?＾?Ａ１］?３??３２〇??????．?ｌ？?????????．?．??１Ｗ？ｅ〇?１９ＢＳ?１９９０?１９９５?２０００?２００Ｓ?２０１０?２０１５

第一章引言??１．２温室气体地基探测仪研究进展??温室气体柱浓度及垂直分布按观测方式，可以分为机载观测、星载观测和地??基观测等。机载和星载可以进行大范围观测，然而其需要耗费大量的财力、人力??和物力，且观测密度有限。地基观测虽然难以获得大范围的浓度信息，但具有精??度高、准确度高及可开展长时间序列观测等优点，可以很好的满足区域温室气体??的高精度观测需求。??关于温室气体大气垂直廓线方面的研究，仍然缺乏可用于廓线反演的高光谱??分辨率观测数据。图１．３显示了不同光谱分辨率下的模拟吸收结果，光谱分辨率??越高，包含的信息量越多。比如，当光谱分辨率为ｌｃｍ－１时（如图１．３中蓝色透??过率谱），信息缺失严重，且易受到附近其它分子吸收的干扰；当光谱分辨率为??０．０１?ｃｍ－１时，特征峰明显。因此，光谱分辨率越高，测量结果对大气高层低压下??的分子吸收越敏感。综上，建立高分辨率光谱、体积孝成本低的地基观测光谱??仪，以及建立密集的地基观测网络，为实现高时空分辨率的温室气体观测意义重??大。??Ｉ?：：ｒ￥°ｖ＾??｜?〇?４?１｜?Ｈ２。Ｓｆ：??０２＿?ｙ?ｅＬＪ??ｏ．ｏＪ?３１４，?，＿＿＿，???６０４６．５?６０４７．０?６０４７．５?６０４８．０?６０４８．５??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?ｎｕｍｂｅｒ?（ｃｍ＊?＾）??图１．３分辨率分别为１、０．５、０．１和０．０１的透过率谱??目前，可用于大气温室气体观测的地基被动测量系统主要有：太阳光度计??［２４－３０］、空间外差光谱仪［３１－４４］、傅里叶变换光谱仪［４５－４８］、激光外差光谱仪??［４９－６５］等。太阳辐射计主要借助太阳光，在可见光

??着２００６年７月和２００６年９月，第二代系统计划分别承载卫星ＳＴＰＳａｔｌ和卫星??ＡＩＭ升空［３９］。２００６年４月，加拿大研制的空间外差系统被应用于大气中水汽??的探测［４０］。??自２００５年以来，中国科学院安徽光学精密机械研宄所也开展了空间外差光??谱技术的相应研宄工作［４１－４３］。继实验室空间外差光谱样机和机载实验成功之??后，将其应用于我国首颗高光谱分辨率的观测卫星ＧＦ＿５号，并对全球温室气体??如Ｃ〇２和ＣＨ４等气体进行了探测，其光谱分辨率为０．０３３ｃｍ－１，图１．４为ＧＦ－５号??观测卫星的载荷配置［４４］。空间外差光谱仪的优点为无扫描部件、多路信号同??步采集、高分辨率光谱、光谱测量范围大等；其缺点为依赖精密光栅和ＣＣＤ，探??测波段为可见和近红外波段。??；?；?Ｈ??爾??大气气溶胶多角度＿赢??管探職也錄圓??图１．４?ＧＦ－Ｓ号观测卫星的载荷配置??１．２．２傅里叶变换光谱仪??高光谱分辨率傅立叶变换光谱仪是当前地球大气探测的重要手段，其探测波??段主要受探测器的影响，可以覆盖紫外到红外甚至太赫兹波段，利用采集得到的??高光谱分辨率数据可以反演得到多组分温室气体的柱总量和垂直分布。傅立叶变??４??
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 田园;孙友文;谢品华;刘诚;刘文清;刘建国;李昂;胡仁志;王薇;曾议;;地基高分辨率傅里叶变换红外光谱反演环境大气中的CH_4浓度变化[J];物理学报;2015年07期

2 魏敏;刘建国;阚瑞峰;王薇;姚路;许振宇;袁松;戴云海;贾良权;;基于量子级联激光器的温室气体测量方法研究[J];光学学报;2014年12期

3 胡志远;闭建荣;黄建平;史晋森;刘玉芝;;一种利用天空辐射计反演大气总水汽量的算法研究[J];高原气象;2014年01期

4 张华;黄建平;;对IPCC第五次评估报告关于人为和自然辐射强迫的解读[J];气候变化研究进展;2014年01期

5 程巳阳;高闽光;徐亮;金岭;李胜;童晶晶;刘建国;刘文清;;基于直射太阳光红外吸收光谱技术的大气中CH_4柱浓度遥测研究[J];量子电子学报;2014年01期

6 侯姗姗;雷莉萍;关贤华;;温室气体观测卫星GOSAT及产品[J];遥感技术与应用;2013年02期

7 戴聪明;魏合理;;地基微波辐射计和太阳光度计反演大气水汽总量的对比研究[J];大气与环境光学学报;2013年02期

8 李建玉;徐青山;詹杰;魏合理;;中国部分典型地区大气可降水量特性遥感研究[J];红外与激光工程;2012年11期

9 李建玉;伽丽丽;徐文清;魏合理;;DTF型太阳光度计测量大气光学参数的对比验证及误差分析[J];大气与环境光学学报;2012年02期

10 李建玉;徐文清;伽丽丽;詹杰;高亦桥;魏合理;;便携式全自动太阳光度计的研制及其应用[J];光学技术;2012年01期

相关博士学位论文 前5条

1 卢兴吉;温室气体激光外差光谱测量技术与反演算法研究[D];中国科学技术大学;2019年

2 曹亚南;3.5μm中红外激光外差光谱技术研究及系统研制[D];中国科学技术大学;2018年

3 周彧;基于7.6μm量子级联激光的N_2O传感技术研究[D];中国科学技术大学;2018年

4 黄晟;可见到近红外太阳光谱辐射计的研制与相关数据分析[D];中国科学技术大学;2018年

5 刘英烈;不同氮肥水平集约化栽培模式双季稻生态系统温室气体收支的田间观测[D];南京农业大学;2016年

本文编号：2874375