[发明专利]地基多波长差分吸收激光雷达的δ13

说明书

本发明提供一种地基多波长差分吸收激光雷达的δ¹³C探测反演方法及系统，包括根据H₂O、¹²CO₂和¹³CO₂对不同激光波长的吸收率选取工作波长，设置n种on波长和1种off波长；由多波长差分吸收激光雷达发射n+1种波长的激光脉冲，接收反射后的信号，获得发射脉冲的波长、发射距离、发射信号的功率和接受信号的功率；利用n种on波长的发射信号，计算H₂O、¹²CO₂和¹³CO₂的差分吸收光学厚度DAOD；提取待测气体在测试气温、测试气压、发射信号波长条件下的吸收截面积，利用H₂O、¹²CO₂和¹³CO₂的DAOD及对应的吸收截面积，建立最优反演模型，得到¹²CO₂、¹³CO₂和H₂O的浓度；根据测量所得C_12CO2、C_13CO2浓度及VPDB同位素比值，计算得到天然稳定同位素δ¹³C，确定天然物质类型，实现利用多波长差分吸收激光雷达测量δ¹³C。

技术领域

本发明属于激光雷达反演δ¹³C技术领域，尤其涉及多波长激光雷达的δ¹³C反演方案。

背景技术

CO₂是影响气候变化最重要的温室气体，了解CO₂的扩散特性对控制温室效应具有重要意义。二氧化碳中碳的天然稳定同位素(δ¹³C)可以反映天然物质类型，包括有机物和无机物。同时，由于地球陆地生物圈中的绝大多数植物在光和作用中更倾向于吸收¹²CO₂，而微生物呼吸、不同化石燃料燃烧等过程会向大气排放具有不同¹³C含量的CO₂。因此，探测大气中的δ¹³C对于区分碳源和碳汇起着至关重要的作用。

在过去的几十年中，同位素比值质谱法(IRMS)和二次离子质谱法(SIMS)被广泛应用于天然气或液态碳氢化合物中δ¹³C的反演，但这样的测量过程复杂且耗时。近年来，光腔衰荡光谱法(CRSD)被应用于大气中δ¹³C的反演，经过2分钟的积分过程，可以获得相对误差小于0.2‰的测量值。有机碳/元素碳(OC/EC)分析仪可以通过热解吸法测量碳含量比率，其时间分辨率为1小时。可调谐二极管激光吸收光谱可以实现非常低的检测限。然而，这些方法都受到空间尺度的限制，开发一种通过开放路径反演区域尺度δ¹³C的方法是目前迫切需要的。

积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达目前能够应用于部分大气气体监测，包括水蒸气、SO₂、O₃、CO₂和CH₄。IPDA激光雷达受环境限制影响小，能够获得精度可靠的气体分布特征。随着IPDA系统硬件的发展，已经开发的多波长IPDA激光雷达可同时测量多种气体的浓度。Gerd等人使用多波长差分吸收激光雷达系统实现CO₂和H₂O的测量。NASA戈达德空间飞行中心(GSFC)开发了一种脉冲多波长积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达并将其安装于飞机上，用于测量美国大气中的CO₂浓度。但是，目前基于多波长差分吸收激光雷达对δ¹³C的反演方法还未发展，因此，本专利提出了多波长激光雷达反演δ¹³C的反演框架。

发明内容