一种天基主动探测气体通量的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种天基主动探测气体通量的方法及装置，该方法包括：向待探测区域发射第一探测激光及第二探测激光，以及接收第一探测激光及第二探测激光的回波信号；根据回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息；根据大气风场廓线信息、气体浓度廓线信息以及预设的大气边界层通量计算方法，直接得到待探测区域的大气边界层气体通量信息。本发明专利技术实施例不仅弥补了当前天基通量主动探测的空白，而且可以进行大气三维运动的高时空分辨率测量，减少现有方法中基于假设和估计的问题，实现对全球多尺度、高质量、长序列气体通量的直接观测，同时还具有高探测精度、高空间分辨率和高灵敏度的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种天基主动探测气体通量的方法及装置
本专利技术涉及大气边界层通量探测
，具体而言，涉及一种天基主动探测气体通量的方法及装置。
技术介绍
基于动量、能量和物质的通量是地球系统不同组成部分之间的重要联系，通量观测对于理解各圈层能量与物质交换、揭示碳循环过程具有重要意义。基于湍流理论的发展，计算地表气体通量的方法也在不断改进。近年来伴随着激光雷达探测系统的发展，多普勒激光雷达系统和差分吸收激光雷达系统也被有效地应用于测量气体浓度和平均风速，因此可以应用于直接探测大气边界层气体通量。现有的地面探测系统，由于通量观测地面站点稀疏，难以满足温室或其他气体监测需求；现有天基探测系统，多是针对柱浓度状态量的被动探测，且被动探测依赖光照，无法实现夜间观测，导致无法研究昼夜、季节的变化规律，针对极区将缺失极夜过程全部数据，且探测精度、空间分辨率不理想。无论是站点观测还是现有卫星观测，当前只能获得点浓度或整层大气的柱浓度，尚无直接通量探测手段。
技术实现思路
本专利技术解决的是当前大气边界层气体缺乏天基通量主动直接探测方式，仅通过柱浓度测量同化反演气体通量反演存在较大误差、时空分辨率低的问题。本专利技术提供的天基主动探测气体通量的方法，为降低不确定性，可以同时进行大气运动和气体浓度的高时空分辨率廓线信息测量，减少现有基于柱浓度同化反演方法的模型假设和误差，从而实现对全球多尺度、高质量、长序列气体通量的直接观测。为解决上述问题，本专利技术提供一种天基主动探测气体通量的方法，应用于天基探测平台，所述方法包括：向待探测区域发射第一探测激光及第二探测激光，以及接收所述第一探测激光及所述第二探测激光的回波信号；所述第一探测激光对应波长为气体强吸收波长，所述第二探测激光对应波长为气体弱吸收波长；根据所述回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息；根据所述大气风场廓线信息、所述气体浓度廓线信息以及预设的大气边界层通量计算方法，直接得到所述待探测区域的大气边界层气体通量信息。可选地，所述向待探测区域发射第一探测激光及第二探测激光，包括：控制所述天基探测平台的天线交替发射第一波长及第二波长的单频脉冲激光。可选地，所述根据所述回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息，包括：计算所述第一探测激光与所述第二探测激光对应的回波信号的回波强度，以及根据差分吸收原理反演得到气体浓度廓线信息。可选地，所述根据所述回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息，包括：获取所述第二探测激光对应的回波信号的多普勒频移；根据所述第二探测激光的波长及所述多普勒频移，确定大气风速在所述第二探测激光的视向方向上的速度分量；根据多个所述速度分量及所述第二探测激光的方位角、天底角，计算得到大气风场廓线信息。可选地，所述根据所述大气风场廓线信息、所述气体浓度廓线信息以及预设的大气边界层通量计算方法，直接得到所述待探测区域的大气边界层气体通量信息，包括：根据所述大气风场廓线信息计算莫宁-奥布霍夫稳定性参数；根据所述莫宁-奥布霍夫稳定性参数，结合所述大气风场廓线信息，确定不同稳定度大气边界条件下的摩擦速度；根据所述不同稳定度大气边界条件下的摩擦速度，结合所述大气风场廓线信息，确定不同稳定度大气边界条件下的普适函数；将所述大气风场廓线信息中至少三个高程的速度信息、所述气体浓度廓线信息中至少两个高程的气体浓度信息、所述不同稳定度大气边界条件下的普适函数输入大气边界层通量计算公式，得到所述待探测区域的大气边界层气体通量信息。可选地，所述根据所述大气风场廓线信息计算莫宁-奥布霍夫稳定性参数，包括：根据所述大气风场廓线信息对应的曲率确定大气稳定度；根据莫宁-奥布霍夫相似理论，计算在所述大气稳定度条件下的摩擦速度；根据所述摩擦速度、莫宁-奥布霍夫稳定性参数与普适函数的关系，计算莫宁-奥布霍夫稳定性参数。可选地，在中性大气条件下，摩擦速度的计算公式如下：在稳定大气条件下，摩擦速度的计算公式如下：在不稳定大气条件下，摩擦速度的计算公式如下：x＝(1-16ζ)1/4其中，ζ为莫宁-奥布霍夫稳定性参数，u*为摩擦速度，k为卡门常数，为平均水平风速，z0为地面粗糙度，z为高度，d0为零平面位移。可选地，所述根据所述摩擦速度、莫宁-奥布霍夫稳定性参数与普适函数的关系，计算莫宁-奥布霍夫稳定性参数，包括：在中性大气条件或稳定大气条件下，莫宁-奥布霍夫稳定性参数ζ与速度普适函数φm的关系如下：φm＝1+5ζ(4)根据公式(4)计算得到将ζ1及所述大气风场廓线信息对应的水平风速(z1，)代入公式(2)计算得到将u*(1)及所述大气风场廓线信息对应的水平风速(z1，z2，)代入公式(4)计算得到将代入公式(4)得到循环执行上述计算过程直到满足数值收敛条件得到最终的无量纲莫宁-奥布霍夫稳定性参数ζi；在不稳定大气条件下，莫宁-奥布霍夫稳定性参数ζ与普适函数φm的关系如下：φm＝(1-16ζ)-1/4(5)根据公式(5)计算得到将ζ1及所述大气风场廓线信息对应的水平风速(z1，)代入公式(3)计算得到将u*(1)及所述大气风场廓线信息对应的水平风速(z1，z2，)代入公式(5)计算得到将(2)代入公式(5)得到循环执行上述计算过程直到满足数值收敛条件得到最终的无量纲莫宁-奥布霍夫稳定性参数ζi。可选地，所述大气边界层普适函数计算公式如下：当-5<ζ<0时：φm＝(1-16ζ)-1/4当0≤ζ<1时：可选地，所述大气边界层通量计算公式如下：其中，φm为速度普适函数，为浓度普适函数，(z1，z2，)为高程z1及z2对应的平均水平风速Fm为动量通量，Fc为气体浓度通量，ρd为干空气密度。本专利技术提供一种天基主动探测气体通量的装置，应用于天基探测平台，所述装置包括：探测模块，用于向待探测区域发射第一探测激光及第二探测激光，以及接收所述第一探测激光及所述第二探测激光的回波信号；所述第一探测激光对应波长为气体强吸收波长，所述第二探测激光对应波长为气体弱吸收波长；反演模块，用于根据所述回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息；通量计算模块，用于根据所述大气风场廓线信息、所述气体浓度廓线信息以及预设的大气边界层通量计算方法，直接得到所述待探测区域的大气边界层气体通量信息。本专利技术实施例基于激光主动探测方式，可以同时、同地直接获得大气风场廓线信息与气体浓度廓线信息，再结合大气边界层湍流输运理论发展了一套完整的天基气体通量计算方法，来分析反演出大气边界层气体通量信息，从而实现快速有效的天基大气层边界层气体通量的直接探测。不仅弥补了当前天基通量主动探测的空白，而且可以进行大气三维运动的高时空分辨率测量，减少现有方法中基于假设和估计的问题，实现对全球本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种天基主动探测气体通量的方法，其特征在于，应用于天基探测平台，所述方法包括：/n向待探测区域发射第一探测激光及第二探测激光，以及接收所述第一探测激光及所述第二探测激光的回波信号；所述第一探测激光对应波长为气体强吸收波长，所述第二探测激光对应波长为气体弱吸收波长；/n根据所述回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息；/n根据所述大气风场廓线信息、所述气体浓度廓线信息以及预设的大气边界层通量计算方法，直接得到所述待探测区域的大气边界层气体通量信息。/n

【技术特征摘要】
1.一种天基主动探测气体通量的方法，其特征在于，应用于天基探测平台，所述方法包括：
向待探测区域发射第一探测激光及第二探测激光，以及接收所述第一探测激光及所述第二探测激光的回波信号；所述第一探测激光对应波长为气体强吸收波长，所述第二探测激光对应波长为气体弱吸收波长；
根据所述回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息；
根据所述大气风场廓线信息、所述气体浓度廓线信息以及预设的大气边界层通量计算方法，直接得到所述待探测区域的大气边界层气体通量信息。


2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述向待探测区域发射第一探测激光及第二探测激光，包括：
控制所述天基探测平台的天线交替发射第一波长及第二波长的单频脉冲激光。


3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息，包括：
计算所述第一探测激光与所述第二探测激光对应的回波信号的回波强度，以及根据差分吸收原理反演得到气体浓度廓线信息。


4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述回波信号反演得到大气风场廓线信息及气体浓度廓线信息，包括：
获取所述第二探测激光对应的回波信号的多普勒频移；
根据所述第二探测激光的波长及所述多普勒频移，确定大气风速在所述第二探测激光的视向方向上的速度分量；
根据多个所述速度分量及所述第二探测激光的方位角、天底角，计算得到大气风场廓线信息。


5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述大气风场廓线信息、所述气体浓度廓线信息以及预设的大气边界层通量计算方法，直接得到所述待探测区域的大气边界层气体通量信息，包括：
根据所述大气风场廓线信息计算莫宁-奥布霍夫稳定性参数；
根据所述莫宁-奥布霍夫稳定性参数，结合所述大气风场廓线信息，确定不同稳定度大气边界条件下的摩擦速度；
根据所述不同稳定度大气边界条件下的摩擦速度，结合所述大气风场廓线信息，确定不同稳定度大气边界条件下的普适函数；
将所述大气风场廓线信息中至少三个高程的速度信息、所述气体浓度廓线信息中至少两个高程的气体浓度信息、所述不同稳定度大气边界条件下的普适函数输入大气边界层通量计算公式，得到所述待探测区域的大气边界层气体通量信息。


6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述根据所述大气风场廓线信息计算莫宁-奥布霍夫稳定性参数，包括：
根据所述大气风场廓线信息对应的曲率确定大气稳定度；
根据莫宁-奥布霍夫相似理论，计算在所述大气稳定度条件下的摩擦速度；
根据所述摩擦速度、莫宁-奥布霍夫稳定性参数与普适函数的关系，计算莫宁-奥布霍夫稳定性参数。


7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，在中性大气条件下，摩擦速度的计算公...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚伟，王磊，马蓉，张思勃，胡洛佳，于志同，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11