基于拉曼测量大气要素的差分吸收CO2探测激光雷达数据修正方法研究

The concentration and the development of the greenhouse gas CO2 in the atmosphere is one of the most concern of the human. The differential absorption lidar is the best remote sensing means of detecting CO2. But the detection is susceptible to atmospheric pressure,temperature, water vapor and aerosols. We put forward that making use of simultaneous multi-channel Raman lidar to detect these atmospheric parameters, and to study their interferences and find the correction method. In the project, the interferences of pressure and temperature to the CO2 absorption line's positon, the shape, half-width and the intensity, as well as the correction method to improve the CO2 concentration retrieval accuracy, will be researched. The change of the CO2 absorption line due to the pressure and temperature will be corrected, and the extinction of water vapor and aerosols will be removed based on Raman lidar's real time and synchronous detection. The synchronous lidars have the same temporal and spatial resolution, and have absolute advantages that the other means don't have. They will obtain the CO2 concentration data with the highest temporal and spatial resolution. The one ppm accuracy's detection of the vertical distribution of atmospheric CO2 concentration will be expected, and it will provide reliable data to research control methods for carbon emission.

大气中CO2浓度空间分布及其变化是目前人们最为关心的问题之一。针对目前公认可获得CO2浓度三维分布的最佳遥感探测手段--差分吸收CO2激光雷达，其探测反演精度受大气气压、温度、水汽和气溶胶等因素影响很大的问题，本项目提出采用同步多通道拉曼激光雷达探测上述大气参量，开展它们对CO2吸收谱线影响以及提高CO2浓度反演精度的修正算法研究。项目实施中，将研究压强、温度对CO2超精细吸收谱线位置、线型、半宽度及线强的影响，分析其中的依赖关系，研究消除影响的修正方法。基于拉曼激光雷达的实时同步探测，修正压强和温度变化对CO2吸收谱线的改变，扣除水汽和气溶胶的消光作用。两台激光雷达以相同的时间和空间分辨率同步探测，具有其他手段无法比拟的优势，将可获得最高时空分辨大气CO2浓度数据集。通过本项目研究，可望得到1ppm精度的大气CO2浓度垂直分布廓线，为碳排放研究控制提供数据支撑。

基于利用差分激光雷达探测大气CO2容易受到大气其他因素的影响而误差较大，本项目提出利用同视场的拉曼激光雷达高精度探测关键的大气要素来进行修正。在项目的执行过程中，通过优化系统结构，改变激光雷达方程，提出新的反演算法，使得拉曼激光雷达探测氮气、水汽、气溶胶等的精度大幅度提高，探测距离也明显增加。提出了避免求导过程的Raman激光雷达反演气溶胶光学特性的改进方法，避免了传统算法由于对N2拉曼散射信号大量平滑带来的气溶胶信息失真或丢失的问题，并用模拟数据实验和实测数据实验来验证改进算法的性能，结果验证了改进方法可以大幅度提高Raman激光雷达反演气溶胶信息的准确性。传统的拉曼激光雷达方向中有一个不确定项，要将气溶胶的消光系数计算出来，而计算消光系数时有一个不确定量，这个会给计算结果带来很大的误差，我们重新改写了氮气拉曼激光雷达方程，利用准确的后向散射系数和米散射信号代替原来方程中的不确定量。这样由于计算消光系数给结果带来的不确定量大大减少。同时我们利用微波辐射计和高空探测等数据进行对比分析，验证了探测结果的准确性。