CN102879772B - 一种差分吸收大气co2激光雷达大气压力增宽修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种差分吸收大气CO₂激光雷达大气压力增宽修正方法，其特点是：首先采用对波长敏感的纠正公式进行洛伦兹半峰全宽FWHM的计算，兼顾增宽系数、温度相关指数的独立性，采用直接带值和迭代求解两种思路解决高空CO₂混合比动值问题，并将差分吸收激光雷达方程浓度解——CO₂分子浓度与体积比χ进行转化。采用本发明后，能够最大程度上摒弃经典算法在取值上的不确定性，避免新误差的带入，同时根据实验场景需求，具体采用带值求解或迭代的方法具有灵活性，在差分吸收激光雷达测量大气CO₂领域具有很好的应用前景和极大的发展潜力。

Description

一种差分吸收大气CO2激光雷达大气压力增宽修正方法

技术领域

本发明涉及大气光学领域，尤其涉及一种差分吸收大气CO₂激光雷达大气压力增宽修正方法。 

背景技术

CO₂作为温室气体主要成分对全球气候有重要的影响作用，其浓度的变化，会对全球气候产生重要影响。通过对CO₂浓度的实时监测，可以自主、适时地获得全面、可靠的区域CO₂源汇动态信息，应对日益增长的碳排放压力问题。差分吸收激光雷达在探测CO₂方面具有巨大优势，是观测其垂直廓线分布的理想探测设备，能够提供连续的时间和空间观测，获得较高的时空分辨率。对于差分吸收激光雷达，可用信号表现为被探测大气物质对激光束能量的吸收。同时为了排除其他因素的影响，在差分吸收激光雷达中通常采用两束差别很小的波长作为发射激光束。其中一束激光的波长选在CO2吸收峰的中心，使其受到最大吸收，称为λ_on，另一束激光的波长在吸收谷处，使其受到的吸收尽可能小，称为λ_off。通过测量随高度增加的大气CO₂吸收的变化来反演CO₂浓度分布。 

然而，在利用差分吸收激光雷达探测CO₂浓度时，大气压力增宽对其有不可忽视的重要影响，大气压力增宽的修正对于CO₂激光雷达的浓度反演是极其重要的。 

高度R处厚度为ΔR=R₂-R₁的大气层中（R即位于大气层较高的高度R₂和大气层较低的高度R₁之间的中间高度），差分吸收激光雷达探测的CO₂浓度方程可以表现为如下形式： 

$\left(1\right),N_g=\frac{1}{2[{\mathrm{\σ}}_g\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{on}}\right)-{\mathrm{\σ}}_g\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{off}}\right)](R_2-R_1)}\ln \frac{\mathrm{Ps}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{off}},R_2)\mathrm{Ps}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{on}},R_1)}{\mathrm{Ps}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{on}},R_2)\mathrm{Ps}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{off}},R_1)}$

式中Ng代表CO₂密度的高度分布，σ_g(λ)代表被探测组分的吸收截面积，是波长λ的敏感函数，其中σ_g(λ_on)是波长λ_on的敏感函数，σ_g(λ_off)是波长λo_ff的敏感函数；Ps(,)代表回波信号强度，Ps(λ_off,R₂)表示采用波长λ_off探测高度R₂处得到的回波信号强度，Ps(λ_on,R₁)表示采用波长λ_on探测高度R₁处得到的回波信号强度，Ps(λ_on,R₂)表示采用波长λ_on探测高度R₂处 得到的回波信号强度，Ps(λ_off,R₁)表示采用波长λ_off探测高度R₁处得到的回波信号强度。由上式可见，被探测组分的密度与两通道回波信号之比和两波长处的吸收截面积之差有关。σ_g(λ)的值与洛伦兹半峰全宽(FWHM)相关，而大气压强以及温度的变化会直接导致FWHM的变化，称为压力增宽，其谱线形状由洛伦兹廓线给出。随着高度的增加，压强同温度存在较大的波动，导致洛伦兹廓线有所变化，必须对其进行修正，即大气压力增宽修正，以期获取更高的精度。 

目前国际上所采用的经典方法是大气辐射的有关理论，求解FWHM，解决压力增宽问题，有如下计算方法： 

${\mathrm{\γ}}_L(P,T)={\mathrm{\γ}}_0\frac{P}{P_0}{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^n---\left(2\right)$

式中γ_L(P,T)代表洛伦兹半峰全宽，P是压强数据，T是温度数据，γ₀是标准气压P₀（1.013KPa）和标准温度T₀（273K）时的半高宽，n为温度相关指数。 

其局限性在于取值上的不确定性。对于CO₂分子，γ₀随谱线变化明显，国际上通用取值为0.07cm^-1；温度相关指数n在0.5-1的范围内变动，取0.5时称为经典值。这种取值上的模糊性，给反演结果带来了巨大的误差。 

本技术领域尚未有相关解决方案出现。 

发明内容

本发明的目的是提供一种较为准确的大气压力增宽的修正方法。 

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案： 

一种差分吸收大气CO₂激光雷达大气压力增宽修正方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，采用以下公式计算洛伦兹半峰全宽， 

${\mathrm{\γ}}_L(P,T,\mathrm{\λ})=P\×\{b_L(\mathrm{air},\mathrm{\λ})\×(1-\mathrm{\χ})\×{\left[\frac{T_0}{T}\right]}^{n_a\left(\mathrm{\λ}\right)}+b_L({\mathrm{CO}}_2,\mathrm{\λ})\×\mathrm{\χ}\×{\left[\frac{T_0}{T}\right]}^{n_{C{O}_2}\left(\mathrm{\λ}\right)}\}---\left(3\right)$

式中，γ_L(P,T,λ)代表洛伦兹半峰全宽，P为压强数据，λ为波长，T是温度数据，T₀是标准温度，b_L(air,λ)为精确测定的大气压力增宽系数，b_L(CO₂,λ)是CO₂气体的自增宽系数，χ是CO₂气体同空气的体积比，n_a(λ)、 

值分别为大气和CO₂气体温度相关指数； 

步骤2，判断是否满足迭代结束条件，是则结束流程，否则进入步骤3； 

步骤3，根据步骤1所得洛伦兹半峰全宽，由差分吸收激光雷达方程得到CO₂浓度分布，该 结果直接以分子浓度C显示，通过以下公式转化得到CO₂气体的浓度与体积比χ 

$\left(4\right),C=\frac{{6.02\×10}^{20}}{22.4}\×\mathrm{\χ}\×\frac{T_0}{T}\×\frac{P}{P_0}$

式中，C为每立方厘米空气中CO₂分子个数； 

返回步骤1，根据计算出的新的CO₂气体的浓度与体积比χ重新计算洛伦兹半峰全宽。 

而且，步骤2中迭代结束条件采用预设的迭代次数。 

而且，步骤1中，根据CO₂气体同空气的体积比χ的预设初值，采用公式（3）计算洛伦兹半峰全宽，预设的迭代次数设为1。 

而且，步骤1中，CO₂气体同空气的体积比χ的预设初值为0.04%。 

本申请提出了一种压力增宽的新修正方法，在最大程度上实现了谱线数据同标准状况下FWHM以及温度相关指数n的对应，根据实验波长的选取（本发明采用1.57μm波长）采用对应的半高宽γ₀和温度相关指数n，更为科学、合理，反演结果更为精确。同时可以解决了其他波长（谱线）数据面临的相同问题。本发明具有以下优点和积极效果： 

1）摒除了经典纠正在取值上的不确定性，避免了新的误差的带入； 

2）明确了标准状况下的FWHM同波长的关系； 

3）根据实际场景需求，分别采用带值求解和迭代的方法具有灵活性。带值求解运算速度快，可以实现实验反演结果的实时显示；迭代的方法能够大幅度提高反演精度。 

4）新纠正算法参数的测量是在广谱范围内进行的，对于其他(如2μm)激光雷达具有参考价值； 

具体实施方式

以下通过实施例详细说明本发明技术方案。 

实施例的一种差分吸收大气CO₂激光雷达大气压力增宽修正方法可采用计算机软件计算实现自动运行，包括以下步骤： 

步骤1，采用以下公式计算洛伦兹半峰全宽， 

${\mathrm{\γ}}_L(P,T,\mathrm{\λ})=P\×\{b_L(\mathrm{air},\mathrm{\λ})\×(1-\mathrm{\χ})\×{\left[\frac{T_0}{T}\right]}^{n_a\left(\mathrm{\λ}\right)}+b_L({\mathrm{CO}}_2,\mathrm{\λ})\×\mathrm{\χ}\×{\left[\frac{T_0}{T}\right]}^{n_{C{O}_2}\left(\mathrm{\λ}\right)}\}---\left(3\right)$

式中，γ_L(P,T,λ)代表洛伦兹半峰全宽，P为压强数据，λ为波长，T是温度数据，T₀是标准温度，b_L(air,λ)为精确测定的大气压力增宽系数，b_L(CO₂,λ)是CO₂气体的自增宽系数， χ是CO₂气体同空气的体积比，n_a(λ)、 

值分别为大气和CO₂气体温度相关指数。 

本发明提出的差分吸收大气CO₂激光雷达大气压力增宽修正方法，首先明确了采用公式(3)进行洛伦兹半峰全宽的计算。该公式需要随高度分布的温度、压强廓线，一共涉及8个参数，其中5个参数b_L(air,λ)、b_L(CO₂,λ)、χ、n_a(λ)、 

是新增的、具体的，明确了FWHM对波长的敏感性，更加复杂、精确。纠正公式中的增宽系数b_L(air)、b_L(CO₂)及温度相关指数n_a、 

同激光发射波长λ密切相关，一一对应。 

根据CO₂的吸收谱线，并考虑到相应的水汽干扰应该最小情况，本发明建议采用1.57μm波长，即差分吸收1.57μm大气CO₂激光雷达选择1572.018nm的波长λ_on作为波长，1572.150nm作为波长λ_off。根据λ_on或λ_off相应的参数用公式（3）进行计算，可以得到λ_on或λ_off的吸收截面积精度。 

实际在计算时，由于波长λ_off的吸收截面积同λ_on相比可忽略，往往只关注λ_on的相关参数值。选择λ_on作为λ，增宽系数b_L(air,λ)、b_L(CO₂,λ)及温度相关指数n_a(λ)、 

采用对应的值，采用公式（3）进行计算，结果即可作为本步骤所求洛伦兹半峰全宽。 

实施例参考自然界CO₂浓度的垂直分布，将CO₂气体同空气的体积比χ的初值预设为0.04%。 

步骤2，判断是否满足迭代结束条件，是则结束流程，否则进入步骤3。 

步骤2中迭代结束条件可以采用预设的迭代次数。一般可以设为3次或4次。流程设计时，可以在第一次执行步骤1时，令当前迭代次数的初值为1，执行到步骤3时当前迭代次数=当前迭代次数+1。 

步骤3，通过以下公式转化得到CO₂气体的浓度与体积比χ 

$\left(4\right),C=\frac{{6.02\×10}^{20}}{22.4}\×\mathrm{\χ}\×\frac{T_0}{T}\×\frac{P}{P_0}$

式中，C为每立方厘米空气中CO₂分子个数； 

然后返回步骤1，根据计算出的新的CO₂气体的浓度与体积比χ重新计算洛伦兹半峰全宽。 

本发明涉及不同高度大气中CO₂分子浓度与体积比χ的转化，同时考虑到温度、压强的影响。 

洛伦兹半峰全宽FWHM直接影响到差分吸收激光雷达求解CO₂浓度的关键部分——吸收截面积。根据步骤1所得洛伦兹半峰全宽，由差分吸收激光雷达方程得到CO₂浓度分布，差分吸收激光雷达方程即公式（1）。该结果直接以分子浓度C显示。 

公式（3）是在实验室条件下进行实验并验证的，是向容器中冲入固定体积比的CO₂，得到的是定值理论；在激光雷达领域，CO₂的浓度随高度明显变化，这是动值问题。对此，以该定值理论为基础，本发明提出了两种解决思路：一是直接带值求解FWHM，二是采用迭代的方法求解。 

具体来说，第一种思路即认为χ为0.04%(参考自然界CO₂浓度的垂直分布)且为计算FWHM时的体积比真值，直接带入公式计算，可以迅速得到计算结果，同时对精度的影响不大。其优点在于，进行观测实验时可以快速、实时显示CO₂浓度的垂直分布情况，便于直接查看CO₂浓度结果，同时不会将错误值重复引入计算，对于激光雷达***调试工作具有很高的参考价值。步骤1中根据CO₂气体同空气的体积比χ的预设初值，采用公式（3）计算的洛伦兹半峰全宽即作为本发明的结果，无需再执行后续步骤。具体实施时，可以通过将预设的迭代次数设为1实现。 

第二种思路是采用迭代的方式，设定CO₂体积比初值0.04%作为迭代变量，经过一次迭代可以反演出CO₂浓度分布，该结果直接以分子浓度显示，通过公式(4)转化为χ，此时，χ是一条与高度有关的廓线，与温度、压强值相对应，观察公式(3)可以发现，FWHM同温度、压强、χ密切相关，三个量均是高度的函数，χ廓线可以直接应用到第二次迭代中，经过3~4次迭代可以满足精度。迭代后的反演结果精度明显优于第一种思路，但是对于数据处理***性能要求较高，计算时间延迟较大。 

在实验初期，激光雷达回波信号并不理想，经常出现体积比大大超过或小于正常大气水平的情况，采用第一种方案，可快速、实时地查看结果的正确性，便于***调节；实验后期，***稳定后，在各种硬件、软件问题已经克服的前提下，误差二次引用的可能性大大降低，对于数据的精确处理必须运用迭代的方法，来提高精度。 

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。 

Claims (4)

1.一种差分吸收大气CO₂激光雷达大气压力增宽修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据CO₂气体同空气的体积比χ的预设初值，采用以下公式计算洛伦兹半峰全宽，

${\mathrm{\γ}}_L(P,T,\mathrm{\λ})=P\×\{b_L(\mathrm{air},\mathrm{\λ})\×(1-\mathrm{\χ})\×{\left[\frac{T_0}{T}\right]}^{n_a\left(\mathrm{\λ}\right)}+b_L({\mathrm{CO}}_2,\mathrm{\λ})\×\mathrm{\χ}\×{\left[\frac{T_0}{T}\right]}^{n_{{\mathrm{CO}}_2}\left(\mathrm{\λ}\right)}\}---\left(1\right)$

式中，γ_L(P,T,λ)代表洛伦兹半峰全宽，P为压强数据，λ为波长，T是温度数据，T₀是标准温度，b_L(air,λ)为精确测定的大气压力增宽系数，b_L(CO₂,λ)是CO₂气体的自增宽系数，χ是CO₂气体同空气的体积比，n_a(λ)、

值分别为大气和CO₂气体温度相关指数；

步骤2，判断是否满足迭代结束条件，是则结束流程，否则进入步骤3；

步骤3，根据步骤1所得洛伦兹半峰全宽，由差分吸收激光雷达方程得到CO₂浓度分布，该结果直接以分子浓度C显示，通过以下公式转化得到CO₂气体同空气的体积比χ

$C=\frac{6.02\×{10}^{20}}{22.4}\×\mathrm{\χ}\×\frac{T_0}{T}\×\frac{P}{P_0}---\left(2\right)$

式中，C为每立方厘米空气中CO₂分子个数，P₀为标准气压；

返回步骤1，根据计算出的新的CO₂气体同空气的体积比χ重新计算洛伦兹半峰全宽。

2.根据权利要求1所述差分吸收大气CO₂激光雷达大气压力增宽修正方法，其特征在于：步骤2中迭代结束条件采用预设的迭代次数。

3.根据权利要求2所述差分吸收大气CO₂激光雷达大气压力增宽修正方法，其特征在于：步骤1中，选择1572.018nm的波长λ_on作为波长λ，采用公式（1）计算洛伦兹半峰全宽。

4.根据权利要求1或2或3所述差分吸收大气CO₂激光雷达大气压力增宽修正方法，其特征在于：步骤1中，CO₂气体同空气的体积比χ的预设初值为0.04%。