[发明专利]一种优化激光雷达探测大气成分谱线分析的方法

摘要

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。

主权项

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P_on、P_off为探测器接收回拨信号能量，是待探测值；E_on、E_off为发射器脉冲能量，A为接收器面积，ρ为地表反照率，η_d为探测器量子效率，η_r为接收器效率，R_G为卫星距地表高度，τ_g为目标气体以外的大气成分消光产生的光学厚度，σ_on和σ_off为不同高度上CO₂分子吸收截面，为CO₂干空气体积混合率，即CO₂浓度，是待反演值；n_air为空气分子数密度廓线，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P_on、P_off，根据(1)和(2)可以得到两个脉冲的差分光学厚度τ_on‑τ_off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，Δσ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，p_surf和P_top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p_surf为1013.25hPa，p_top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参数，利用激光雷达发射的激光脉冲的频率、线宽，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，f_V(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为吸收峰在波数域上位置，v为积分谱线域，γ_D为吸收谱线的多普勒半宽，如下式表示：B为波尔兹曼常数，T为温度，m为相对分子质量，洛伦兹半宽γ_L随温度和气压的变化为：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，c为光速，标准状态下的洛伦兹线型的半宽γ_L(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的计算式为，其中，α(v)为在目标波数v处吸收截面，S_i为给定波数域上第i条谱线的线强，f(v‑v_0,i)为第i条吸收谱线展宽后在波数v处的吸收线型，所述逐线积分满足IPDA对高精度光谱参数的要求；步骤七，大气模型的建立使用美国在1976年建立的常规气象参数廓线作为研究IPDA激光雷达参数的基础；该模型中大气温度、气压和密度廓线模型的建立如公式如表1所示；表1美国1976年标准大气温度、气压和密度廓线其中h为海拔高度，单位为米，海平面温度T₀为288.15K，密度ρ₀＝1.225kg/m³，海平面标准气压P₀＝1.1325N/m²；步骤八，CO₂吸收光学厚度计算CO₂吸收光学厚度是CO₂在整层大气中对脉冲能量的吸收能力，反应了大气柱中CO₂的总含量，光学厚度的定义式为其中，τ为光学厚度，L为光能量在路径上的传播距离，σ为吸收截面，N为路径上待测气体的分子数；步骤九，筛选光学厚度在计算目标波数域内单位波数间隔上每个点的光学厚度后，根据步骤八所计算的结果，对目标波数域内波数进行光学厚度的筛选，选择光学厚度大于0.02并且小于4作为筛选光学厚度的标准，如下式所示v_step1＝where(0.02＜τ_i＜4)   (13)v_step1为经过光学厚度筛选后的波数，τ_i为目标波数域内每个波数点上经步骤八得到光学厚度；步骤十，谱线大气敏感性计算该谱线的温度敏感性方程为：Δτ为差分光学厚度，根据流体静力学平衡方程，气压敏感性计算每一层大气上按增加比例常数ε后得到的混合率变化，气压敏感性方程为：水汽在大气中作为强吸收气体改变差分吸收光学厚度，并且水汽变化对影响积分权重函数，假设整层大气中水汽廓线每一层等比例(1+ε)变化，水汽敏感性可以由下式得到：步骤十一，权重函数廓线由步骤一中IPDA激光雷达方程(1)式和(2)式相除，根据流体静力学方程和理想气体状态方程可以推导得到步骤三的(4)式，由此得到差分光学厚度与XCO₂之间关系式，利用IPDA激光雷达直接测量的两个差分波长上的回波信号强度以及其它校正参数，可以得到CO₂气体的差分吸收光学厚度，权重函数如步骤三中(6)式计算得到，不同高度上的差分吸收截面受气压和温度影响，根据步骤五及步骤七，可以得到权重函数廓线，根据权重函数廓线无法差分吸收光学厚度中得到CO₂气体分子数密度或混合比的垂直分布，最后得到的CO₂在大气柱内的柱含量；步骤十二，CO₂分子数密度廓线CO₂混合率是常数的廓线与CO₂在垂直方向存在梯度的廓线在反演中存在差异，采用的CO₂混合率廓线如表2所示，其中i代表大气层数，h和P为步骤七中所建立的大气模型中的高度和气压，CO₂分子数密度廓线为分层结构，其数密度随高度变化，计算式如下表所示；表2 CO₂混合率垂直分层廓线分层CO₂混合率(ppm)0～2392.07133～24(392.0713‑10/22*(h(i)‑2))*P(i)25～71(392.0713‑10‑2/47*(h(i)‑24))*P(i)步骤十三，权重函数优化谱线根据步骤三中(4)式，权重函数代表差分光学厚度在大气柱内垂直方向各高度上的分布，由步骤八中积分(12)式中的吸收系数廓线σ(r)N(r)和步骤十三中得到的CO₂混合率廓线、步骤六中得到的吸收截面以及步骤七中每层的密度，得到权重函数相关得到的结果，权重函数优化的谱线如表3所示：表3权重函数相关得到的结果