一种优化激光雷达探测大气成分谱线分析的方法，通过建立硬目标反射的IPDA激光雷达方程，两个脉冲的差分光学厚度和带权重的CO2空气柱混合率XCO2的计算，单条谱线展宽计算，计算吸收截面，CO2吸收光学厚度的计算，权重函数廓线，CO2分子数密度廓线，得到权重函数优化谱线。该方法得到的谱线对低层大气权重比例更高，探测更接近于真实值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光雷达探测光谱谱线分析优化的方法，具体涉及一种差分吸收探测大气成分的谱线优化方法。。
技术介绍
在了解温室气体，云和气溶胶对气候变化的影响之前，首先需要对辐射强迫进行定义。直接定量气体或粒子浓度的波动对地表面温度的变化是困难的，引入辐射强迫作为中间量，对理解无论是CO2的温室效应，还是云和气溶胶之间相互作用产生的复杂的冷却为主的效应，都是以辐射强迫的变化来定量分析的。辐射强迫是地球系统中由于某些强迫扰动对能量平衡带来的净改变。通常用一段指定时间内每平方米上的功率数来表达，并由此定量分析来自当扰动强迫发生时，对系统能量产生的不平衡性。辐射强迫代表两个指定时期间的辐射量的改变，例如工业革命以前和现在之间的能量系统的变化。辐射强迫可以为不同扰动强迫源引发的潜在的气候响应，尤其是全球平均温度变化，提供定量分析的基础。辐射强迫随时间的变化为研究气候变化提供更加完善的信息。主要的温室气体有二氧化碳(CO2)，甲烷(CH4)和氧化二氮(N2O)，其浓度的大量增加主要是由人为活动直接造成的。CO2是最主要的温室气体。CO2对太阳辐射几乎是透明的。不过在热红外光谱的15μm带(约12～18μm)是一个强吸收体。大气中的CO2含量的增加会造成大气捕获更多的从地表和低层大气发射的热红外辐射，从而增强温室效应，造成全球增温。在《京都议定书》中，对将确定的地球上如碳汇分布与国家排放清单相互结合考虑提出了要求。在大部分区域，五年时间尺度上，由议定书中所规定的碳通量需要要与自然通量的20％。因为议定书规定，只在确定区域上考虑地表通量，那么一种只能探测总通量的由上向下的检验方法在没有额外信息的情况下，就不能达到探测的要求。如果在未来《京都议定书》可以在各国的碳收支之中包含全部的地球通量分布，使用由上向下方法从全部通量中减少燃料排放的估计将行之有效，可以解决前面所列出的第二个目的。这需要对精度提出非常高的要求。激光雷达Lidar(LightDetectionandRanging)是激光探测及测距系统的简称，其采用激光器作为发射源，对目标进行照射，利用目标发射、折射、散射和透射中对回波辐射产生的影响效应进行探测的主动遥感设备。星载激光雷达结合激光雷达主动探测的优势，在地球轨道上自上而下发射和接收激光脉冲，达到探测全球大气成分和性质的目的。星载激光雷达携带自身辐射源，可以在地球的昼夜面进行全天候探测，在很小的传输体积内向地球大气发射辐射能量。在此之上，主动光学仪器的光路是已知的，因此从探测中反演目标气体浓度不需要求解复杂的辐射传输方程。激光源可以控制在单频操作，由于不同气体衰减特性的不同，使得其他气体带来的影响可以忽略，完成主动、连续，精细化探测，与被动遥感探测手段相互补充，为建立我国的全球气象与气候检测系统、大气环境污染监测系统、生态监测系统提供支持。
技术实现思路
本专利技术未解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种优化激光雷达探测大气成分谱线分析的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一，建立硬目标反射的IPDA激光雷达方程采用积分路径差分吸收(IPDA,IntegratedPathDifferentialAbsorption)激光雷达探测方法探测来自硬目标的后向反射信号，探测器接收到的回波信号来自硬目标反射回来的脉冲回波信号，具体IPDA激光雷达方程如下式：式(1)和(2)根据每条激光脉冲波长在大气传输过程中被CO2吸收而产生的光学厚度，用以计算整层大气内的CO2含量。通过探测器接收经由地表反射的回波信号，步骤二，步骤一中各项参数表征Pon(Poff)为探测器接收回拨信号能量(mJ)，是待探测值；Eon(Eoff)为发射器脉冲能量(mJ)，A为接收器面积(m2)，ρ为地表反照率，ηd为探测器量子效率，ηr为接收器效率，RG为卫星距地表高度(km)，τg为目标气体以外的大气成分消光产生的光学厚度，σon和σoff为不同高度上CO2分子吸收截面(cm2)，qCO2为CO2干空气体积混合率，即CO2浓度，是待反演值；nair为空气分子数密度廓线(cm-3)，C为激光雷达系统常数。步骤三，两个脉冲的差分光学厚度和带权重的CO2空气柱混合率XCO2的计算所述的带权重的CO2干空气柱混合率XCO2的计算是通过IPDA激光雷达通过接收地表反射的回波信号能量，利用差分吸收原理，消除水汽等吸收成分的干扰，得到带权重的CO2干空气柱混合率反演数据XCO2，该XCO2是IPDA激光雷达反演的二级数据产品，具体计算如下：首先，星载IPDA激光雷达接收两束激光脉冲经由地表硬目标反射的回波信号Pon(Poff)，根据(1)和(2)可以得到两个脉冲的差分光学厚度(τon-τoff)qH2O为水汽体积混合率廓线，其次，根据流体静力学方程和理想气体状态方程以及上步中得到的差分光学厚度可以建立接收到的回波信号与CO2混合率之间的关系，根据下式得到带权重的CO2干空气柱混合率XCO2带入(3)式得到，其中，△σ为强弱吸收线之间吸收截面之差，由此避开了对CO2混合率廓线的探测，而通过接收两个波长上脉冲回拨信号的相对能量变化反演得到大气柱内的CO2柱含量，其中WF(r)为权重函数，代表脉冲路径长度上CO2吸收能力的分布，psurf和Ptop代表大气低层和大气顶层的气压值，是权重函数计算的上下限，其中psurf为1013.25hPa，ptop为0hPa，由流体静力学方程得到：其中，MH2O和MCO2为水汽和CO2的相对分子质量，其中MH2O为18g/mol,为44g/mol。步骤四，通过光谱数据库的数据计算得到步骤三中两个脉冲的差分光学厚度和带权重的CO2空气柱混合率XCO2根据现有的HITRAN数据库中的数据所选用的光谱参数数据包括对应于分子或原子在真空中光谱波数位置上，谱线的线强，温度指数，气压导致的谱线位置频移，洛伦兹谱线自增宽半宽等参数，利用激光雷达发射的激光脉冲的频率、线宽等，从不同温度、压强条件下的CO2气体分子的吸收光谱曲线中计算出CO2气体分子差分吸收截面在垂直高度上的变化，代入步骤三进行计算，既得带权重的CO2干空气柱混合率XCO2；步骤五，单条谱线展宽计算所述单条谱线展宽使用伏格特线型对目标波长附近一定波数范围上不同温度和气压条件进行计算并逐渐积分后得到。采用的伏格特廓线是洛伦兹线型和多普勒线型的卷积在无穷域上的卷积积分不能再闭合条件下求值，使用复误差函数进行求解。fV(x,y)为单条吸收谱线的展宽线型，服从复误差函数线型，其中，v0(cm-1)为吸收峰在波数域上位置，v(cm-1)为积分谱线域。γD为吸收谱线的多普勒半宽(cm-1/atm)，如下式表示：B为波尔兹曼常数(J·K-1)，T为温度(K)，m为相对分子质量。洛伦兹半宽γL随温度和气压的变化为：γL(T,p)＝γL(296,1atm)p/p0(296/T)φ(25)φ为296K温度下得到的分子常值指数。线强S受温度影响：S0为296K下谱线强度，h为普朗克常数(J·s)，c为光速(m·s-1)。标准状态下的洛伦兹线型的半宽γL(296,1atm)，φ以及E″可以从HITRAN数据库获得。对于当温度和气压不变时，指定波数上的光谱吸收线，多普勒增宽为已知，即y本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种优化激光雷达探测大气成分谱线分析的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一，建立硬目标反射的IPDA激光雷达方程采用积分路径差分吸收(IPDA,Integrated Path Differential Absorption)激光雷达探测方法探测来自硬目标的后向反射信号，探测器接收到的回波信号来自硬目标反射回来的脉冲回波信号，具体IPDA激光雷达方程如下式：式(1)和(2)根据每条激光脉冲波长在大气传输过程中被CO2吸收而产生的光学厚度，用以计算整层大气内的CO2含量。通过探测器接收经由地表反射的回波信号，步骤二，步骤一中各项参数表征Pon(Poff)为探测器接收回拨信号能量(mJ)，是待探测值；Eon(Eoff)为发射器脉冲能量(mJ)，A为接收器面积(m2)，ρ为地表反照率，ηd为探测器量子效率，ηr为接收器效率，RG为卫星距地表高度(km)，τg为目标气体以外的大气成分消光产生的光学厚度，σon和σoff为不同高度上CO2分子吸收截面(cm2)，为CO2干空气体积混合率，即CO2浓度，是待反演值；nair为空气分子数密度廓线(cm‑3)，C为激光雷达系统常数。步骤三，两个脉冲的差分光学厚度和带权重的CO2空气柱混合率XCO2的计算所述的带权重的CO2干空气柱混合率XCO2的计算是通过IPDA激光雷达通过接收地表反射的回波信号能量，利用差分吸收原理，消除水汽等吸收成分的干扰，得到带权重的CO2干空气柱混合率反演数据XCO2，该XCO2是IPDA激光雷达反演的二级数据产品，具体计算如下：首先，星载IPDA激光雷达接收两束激光脉冲经由地表硬目标反射的回波信号Pon(Poff)，根据(1)和(2)可以得到两个脉冲的差分光学厚度(τon‑τoff)为水汽体积混合率廓线，其次，根据流体静力学方程和理想气体状态方程以及上步中得到的差分光学厚度可以建立接收到的回波信号与CO2混合率之间的关系，根据下式得到带权重的CO2干空气柱混合率XCO2带入(3)式得到，其中，△σ为强弱吸收线之间吸收截面之差，由此避开了对CO2混合率廓线的探测，而通过接收两个波长上脉冲回波信号的相对能量变化反演得到大气柱内的CO2柱含量，其中WF(r)为权重函数，代表脉冲路径长度上CO2吸收能力的分布，psurf和Ptop代表大气低层和大气顶层的气压值，是权重函数计算的上下限，其中psurf为1013.25hPa，ptop为0hPa，由流体静力学方程得到：其中，和为水汽和CO2的相对分子质量，其中为18g/mol,为44g/mol。步骤四，通过光谱数据库的数据计算得到步骤三中两个脉冲的差分光学厚度和带权重的CO2空气柱混合率XCO2根据现有的HITRAN数据库中的数据所选用的光谱参数数据包括对应于分子或原子在真空中光谱波数位置上，谱线的线强，温度指数，气压导致的谱线位置频移，洛伦兹谱线自增宽半宽等参数，利用激光雷达发射的激光脉冲的频率、线宽等，从不同温度、压强条件下的CO2气体分子的吸收光谱曲线中计算出CO2气体分子差分吸收截面在垂直高度上的变化，代入步骤三进行计算，既得带权重的CO2干空气柱混合率XCO2；步骤五，单条谱线展宽计算所述单条谱线展宽使用伏格特线型对目标波长附近一定波数范围上不同温度和气压条件进行计算并逐渐积分后得到。采用的伏格特廓线是洛伦兹线型和多普勒线型的卷积在无穷域上的卷积积分不能再闭合条件下求值，使用复误差函数进行求解。fV(x,y)为单条吸收谱线的展宽线型，服从复误差函数线型，其中，v0(cm‑1)为吸收峰在波数域上位置，v(cm‑1)为积分谱线域。γD为吸收谱线的多普勒半宽(cm‑1/atm)，如下式表示：B为波尔兹曼常数(J·K‑1)，T为温度(K)，m为相对分子质量。洛伦兹半宽γL随温度和气压的变化为：γL(T,p)＝γL(296,1atm)p/p0(296/T)φ (9)φ为296K温度下得到的分子常值指数。线强S受温度影响：S0为296K下谱线强度，h为普朗克常数(J·s)，c为光速(m·s‑1)。标准状态下的洛伦兹线型的半宽γL(296,1atm)，φ以及E”可以从HITRAN数据库获得。对于当温度和气压不变时，指定波数上的光谱吸收线，多普勒增宽为已知，即y是已知的；在低层大气谱线增宽主要为洛伦兹线型展宽，随高度增加多普勒展宽效应增加。采用伏格特线，可由洛伦兹线和多普勒线的卷积得到的。经过伏格特展宽计算后的线型即为单条谱线展宽线型。步骤六，逐线积分计算吸收截面逐线积分计算即是对离散的增宽后的吸收线在整个光谱范围内按照一定的波数间隔进行逐条累和计算气体的吸收性质，根据步骤五，对目标波数附近的吸收线进行逐条谱线的展宽计算，然后再将各个展宽廓线在目标波数上进行叠加，就得到逐线积分后的吸收截面，在给定波数范围内逐线积分...
【技术特征摘要】
1.一种优化激光雷达探测大气成分谱线分析的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一，建立硬目标反射的IPDA激光雷达方程采用积分路径差分吸收(IPDA,IntegratedPathDifferentialAbsorption)激光雷达探测方法探测来自硬目标的后向反射信号，探测器接收到的回波信号来自硬目标反射回来的脉冲回波信号，具体IPDA激光雷达方程如下式：式(1)和(2)根据每条激光脉冲波长在大气传输过程中被CO2吸收而产生的光学厚度，用以计算整层大气内的CO2含量。通过探测器接收经由地表反射的回波信号，步骤二，步骤一中各项参数表征Pon(Poff)为探测器接收回拨信号能量(mJ)，是待探测值；Eon(Eoff)为发射器脉冲能量(mJ)，A为接收器面积(m2)，ρ为地表反照率，ηd为探测器量子效率，ηr为接收器效率，RG为卫星距地表高度(km)，τg为目标气体以外的大气成分消光产生的光学厚度，σon和σoff为不同高度上CO2分子吸收截面(cm2)，为CO2干空气体积混合率，即CO2浓度，是待反演值；nair为空气分子数密度廓线(cm-3)，C为激光雷达系统常数。步骤三，两个脉冲的差分光学厚度和带权重的CO2空气柱混合率XCO2的计算所述的带权重的CO2干空气柱混合率XCO2的计算是通过IPDA激光雷达通过接收地表反射的回波信号能量，利用差分吸收原理，消除水汽等吸收成分的干扰，得到带权重的CO2干空气柱混合率反演数据XCO2，该XCO2是IPDA激光雷达反演的二级数据产品，具体计算如下：首先，星载IPDA激光雷达接收两束激光脉冲经由地表硬目标反射的回波信号Pon(Poff)，根据(1)和(2)可以得到两个脉冲的差分光学厚度(τon-τoff)为水汽体积混合率廓线，其次，根据流体静力学方程和理想气体状态方程以及上步中得到的差分光学厚度可以建立接收到的回波信号与CO2混合率之间的关系，根据下式得到带权重的CO2干空气柱混合率XCO2带入(3)式得到，其中，△σ为强弱吸收线之间吸收截面之差，由此避开了对CO2混合率廓线的探测，而通过接收两个波长上脉冲回波信号的相对能量变化反演得到大气柱内的CO2柱含量，其中WF(r)为权重函数，代表脉冲路径长度上CO2吸收能力的分布，psurf和Ptop代表大气低层和大气顶层的气压值，是权重函数计算的上下限，其中psurf为1013.25hPa，ptop为0hPa，由流体静力学方程得到：其中，和为水汽和CO2的相对分子质量，其中为18g/mol,为44g/mol。步骤四，通过光谱数据库的数据计算得到步骤三中两个脉冲的差分光学厚度和带权重的CO2空气柱混合率XCO2根据现有的HITRAN数据库中的数据所选用的光谱参数数据包括对应于分子或原子在真空中光谱波数位置上，谱线的线强，温度指数，气压导致的谱线位置频移，洛伦兹谱线自增宽半宽等参数，利用激光雷达发射的激光脉冲的频率、线宽等，从不同温度、压强条件下的CO2气体分子的吸收光谱曲线中计算出CO2气体分子差分吸收截面在垂直高度上的变化，代入步骤三进行计算，既得带权重的CO2干空气柱混合率XCO2；步骤五，单条谱线展宽计算所述单条谱线展宽使用伏格特线型对目标波长附近一定波数范围上不同温度和气压条件进行计算并逐渐积分后得到。采用的伏格特廓线是洛伦兹线型和多普勒线型的卷积在无穷域上的卷积积分不能再闭合条件下求值，使用复误差函数进行求解。fV(x,y)为单条吸收谱线的展宽线型，服从复误差函数线型，其中，v0(cm-1)为吸收峰在波数域上位置，v(cm-1)为积分谱线域。γD为吸收谱线的多普勒半宽(cm-1/atm)，如下式表示：B为波尔兹曼常数(J·K-1)，T为温度(K)，m为相对分子质量。洛伦兹半宽γL随温度和气压的变化为：γL(T,p)＝γL(296,1atm)p/p0(296/T)φ(9)φ为296K温度下得到的分子常值指数。线强S受温度影响：S0为296K下谱线强度，h为普朗克常数(J·s)，c为光速(m·s-1)。标准状态下的洛伦兹线型的半宽γL(296,1atm)，φ以及E”可以从HITRAN数据库获得。对于当温度和气压不变时，指定波数上的光谱吸收线，多普勒增宽为已知，即y是已知的；在低层大气谱线增宽主要为洛伦兹线型展宽，随高度增加多普勒展宽效应增加。采用伏格特线，可由洛伦兹线和多普勒线的卷积得到的。经过伏格特展宽计算后的...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘东，马晖，王邦新，王珍珠，谢晨波，钟志庆，范爱媛，董吉辉，王英俭，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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