[发明专利]基于气溶胶扰动校正的差分吸收激光雷达CO2探测方法

说明书

本发明公开了一种基于气溶胶扰动校正的差分吸收激光雷达CO₂探测方法，首先，在CO₂浓度反演模型中考虑了气溶胶扰动影响；其次，进行1064nm和1572nm波长的米散射激光雷达的同时观测，获取1064nm和1572nm波长下气溶胶的消光系数和后向散射系数的线性经验关系；最后，进行常规双波长交替发射的差分吸收激光雷达CO₂探测时，采用1064nm波长的米散射激光雷达连续探测，基于消光系数和后向散射系数的线性经验关系获得on波长和off波长下的消光系数和后向散射系数，结合CO₂浓度反演模型获得CO₂浓度反演结果。本发明反演结果更精确，在差分吸收激光雷达探测大气痕量气体领域具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及大气激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于气溶胶扰动校正的差分吸收激光雷达CO₂探测方法。

背景技术

CO₂作为温室气体的主要成分，被广泛认为对全球气候有重要的影响。而目前CO₂的监测浓度，同各种模式反演得到的结果有较大的差异，这表明存在一些未知的碳汇机制。因此高精度的获取大气CO₂浓度变化，进而进行区域性CO₂源、汇的研究，从而应对日益增长的碳排放压力问题，具有重要意义。差分吸收激光雷达在探测大气CO₂浓度方面具有其独有的优势，是观测其垂直廓线分布的理想探测设备。地基差分吸收激光雷达更能获取对流层内的高精度CO₂浓度分布情况，而对流层内是人类活动和碳源、碳汇发生的主要区域，其探测结果更具有应用价值。

差分吸收激光雷达主要是发射两束波长稍有差别的激光束，一束激光被CO₂分子强吸收，称为on波长激光；另一束激光被CO₂分子弱吸收，称为off波长激光，通过测量随高度变化的大气CO₂吸收的变化来反演CO₂浓度分布。

经典的激光雷达方程为：

其中，P(r,λ)是波长为λ的激光束在高度r的回波信号强度；P₀是发射激光强度； A是望远镜面积大小；η是激光雷达重叠因子；c是光速；β(r,λ)是气溶胶和大气分子的后向散射系数；α(r,λ)是气溶胶和大气分子的消光系数；N_g(r)是被探测气体在高度 r处的数密度；σ(λ)是被探测气体在高度r处的吸收截面积，是波长的敏感函数。

差分吸收激光雷达本质上是米氏散射机制，其特点是散射粒子的尺寸与入射激光相近或者比入射激光波长更大，米氏散射的散射光波长同入射光相同，是一种弹性散射。将激光雷达方程(1)中的λ换做λ_on和λ_off，得到on波长和off波长的激光雷达方程，将二者的激光雷达方程相除，得如下形式：

其中，λ_on和λ_off分别表示on波长和off波长；σ_g(λ_on)和σ_g(λ_off)分别对应on波长和off波长的吸收截面积，其值可以从HITRAN数据库中直接获取。

一般认为，由于on波长和off波长非常相近，则从而得到高度r处厚度为Δr＝r₂-r₁的大气层中差分吸收激光雷达探测的CO₂浓度方程：