本文關(guān)鍵詞：星載激光雷達探測大氣二氧化碳濃度的模擬與反演研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：大氣中的二氧化碳是導(dǎo)致全球變暖的重要的溫室氣體之一,為了準(zhǔn)確掌握全球二氧化碳氣體含量及其源和匯的分布,迫切需要一種能夠精確探測全球二氧化碳濃度分布的有效方法。現(xiàn)有的全球二氧化碳濃度分布數(shù)據(jù)可由分布在全球的約100個站點組成的觀測網(wǎng)絡(luò)獲得,但是由于觀測站的數(shù)量有限,數(shù)據(jù)在全球范圍內(nèi)的空間分辨率不足,不足以得出可信的分析結(jié)果。為了進一步提高全球觀測的覆蓋率,近年來很多國家的研究單位都開展了星載被動探測設(shè)備的研制。但是,由于傳感器接收的是太陽光輻射或者地氣系統(tǒng)輻射,因此具有難以實現(xiàn)高緯度地區(qū)的探測,全球數(shù)據(jù)覆蓋率較低以及探測精度不足等缺點。針對以上探測手段的不足,歐空局與美國宇航局分別提出了A-SCOPE和ASCENDS衛(wèi)星計劃,這兩顆衛(wèi)星擬搭載的均是主動式路徑積分差分吸收(Integrated Path Differential Absorption, IPDA)激光雷達,它交替發(fā)射兩束激光,一束激光波長位于二氧化碳吸收譜線某一吸收峰附近吸收較強的位置,稱為on-line,另一束激光位于吸收很弱或者不吸收的位置,稱為off-line。通過對這兩束激光的回波信號進行比較可以提取出其中有關(guān)二氧化碳濃度的信息。IPDA激光雷達不僅能彌補以上所述被動探測傳感器的不足,而且具有1ppmv的高精度探測能力。目前,以上兩臺星載激光雷達系統(tǒng)還處于前期預(yù)研階段,尚未實現(xiàn)業(yè)務(wù)化運行。在此背景下,本文對IPDA激光雷達測量二氧化碳濃度涉及到的仿真模擬和反演算法等問題進行了研究,本文的主要研究內(nèi)容如下：第一、基于星載差分吸收激光雷達測量全球CO2柱體積加權(quán)混合比(簡稱CO2柱濃度)的基本原理和基本流程,針對典型的系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)、大氣參數(shù)以及平臺參數(shù)模擬了在不同地表反射率與氣溶膠光學(xué)厚度下地面的回波光子數(shù)、APD探測器輸出信號電壓、on-line與off-line回波信號信噪比以及由信噪比引入的隨機誤差,根據(jù)實際的MODIS衛(wèi)星地球表面反射率與氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù),本文得到了測量隨機誤差全球分布圖,結(jié)果顯示,在特定的系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)、大氣參數(shù)、星載平臺參數(shù)以及探測器參數(shù)下,IPDA激光雷達在全球范圍內(nèi)具有良好的探測性能。此外,本文還模擬分析了大氣參數(shù)(大氣溫度、大氣壓強和空氣相對濕度)的測量誤差和激光雷達系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)(激光線寬、激光頻率漂移、激光光譜純度和發(fā)射激光能量監(jiān)測精度)對CO2柱濃度測量精度的影響。結(jié)果表明,當(dāng)大氣溫度測量精度為0.5K時,引起的反演誤差為0.0212%,若以平均柱濃度380ppmv計,約合0.081ppmv;壓強測量精度為0.5hPa時,引入的反演誤差為O.027%(0.103ppmv);當(dāng)相對濕度偏測量精度為5%時,引入的反演誤差為0.012%(0.046ppmv);當(dāng)激光能量監(jiān)測精度為0.05%時,引入的相對誤差為0.028%(0.105ppmv);激光線寬為30MHz時,引入的相對誤差為0.0036%(0.0137ppmv);激光頻率漂移為0.3MHz時,引起的二氧化碳柱濃度絕對誤差約為0.1ppmv；當(dāng)光譜純度為99.9%且光學(xué)濾波器帶寬為6GHz時,絕對誤差約為0.109ppmv.根據(jù)以上誤差分析結(jié)果,本論文進行了總體參數(shù)的誤差源分配,結(jié)果顯示,當(dāng)大氣溫度測量精度為1K,大氣壓強測量精度為1hPa,相對濕度測量精度為10%,激光能量監(jiān)測精度為0.2%,激光線寬為70MHz,激光頻率漂移為0.9MHz,光譜純度為99.9%且光學(xué)濾波器帶寬為42GHz時,總體反演誤差為0.236%(0.8988ppmv),基本滿足1ppmv測量精度要求。第二、根據(jù)系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)和大氣參數(shù)對反演結(jié)果的影響,本論文進行了反演算法的校正研究,并利用模擬的地面回波信號進行了反演算法的數(shù)值驗證,以保證反演精度。進行這一驗證的必要性在于：由于反演結(jié)果的數(shù)量級在百萬分之一(ppm),所以即使在理論上反演算法是正確的,在實際應(yīng)用中,其數(shù)值計算的精度的改變也會對反演結(jié)果造成較大的偏差,通過數(shù)值驗證可以了解這種偏差具體的大小以及如何最大限度降低這些偏差。另外,還對數(shù)值驗證過程中遇到的兩個關(guān)鍵問題(C02吸收截面的計算和大氣分層高度間隔的選取)進行了討論�？傊�,本文基于一些典型的系統(tǒng)參數(shù)和大氣參數(shù)研究了用于二氧化碳柱濃度測量的星載差分吸收激光雷達性能仿真模擬與反演方法研究,這是星載IPDA激光雷達系統(tǒng)預(yù)研階段重要的環(huán)節(jié),誤差仿真的結(jié)果對于硬件系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義,反演算法的研究則是進行二氧化碳柱濃度精確反演的前提。
【關(guān)鍵詞】：星載路徑積分差分吸收激光雷達 二氧化碳柱濃度 性能仿真模擬 反演算法
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P407;X16
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 1 前言13-18
• 1.1 研究背景13-15
• 1.1.1 被動探測技術(shù)概述13-14
• 1.1.2 主動探測技術(shù)研究進展14-15
• 1.2 本文研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排15-18
• 2 星載IPDA激光雷達原理18-29
• 2.1 氣體分子吸收光譜18-24
• 2.1.1 大氣氣體吸收概況18-24
• 2.1.1.1 譜線增寬效應(yīng)及其線型20-22
• 2.1.1.2 吸收系數(shù)22-24
• 2.2 HITRAN數(shù)據(jù)庫簡介24-25
• 2.3 星載IPDA激光雷達二氧化碳測量原理25-29
• 2.3.1 星載IPDA激光雷達地面回波測量原理25-27
• 2.3.2 星載IPDA激光雷達二氧化碳反演原理27-29
• 3 星載IPDA激光雷達性能仿真模擬29-53
• 3.1 星載IPDA激光雷達隨機誤差模擬29-38
• 3.1.1 隨機誤差模擬方法29-34
• 3.1.2 隨機誤差全球分布34-38
• 3.2 大氣參數(shù)測量誤差模擬38-42
• 3.2.1 大氣溫度38-39
• 3.2.2 大氣壓強39-40
• 3.2.3 相對濕度40-42
• 3.3 激光雷達系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)誤差模擬42-51
• 3.3.1 發(fā)射激光能量監(jiān)測精度42-43
• 3.3.2 激光線寬43-45
• 3.3.3 激光頻率漂移45
• 3.3.4 光譜純度45-51
• 3.4 誤差源對比51-52
• 3.5 誤差分配52-53
• 4 星載IPDA激光雷達CO_2柱濃度反演算法研究53-63
• 4.1 反演算法的校正53-56
• 4.1.1 發(fā)射激光能量起伏53
• 4.1.2 激光頻率漂移53-54
• 4.1.3 濕空氣54-55
• 4.1.4 光譜純度55-56
• 4.2 反演算法的數(shù)值驗證56-63
• 4.2.1 CO_2吸收截面的計算56-59
• 4.2.2 高度間隔的選取59-60
• 4.2.3 反演算法的數(shù)值驗證60-63
• 5 總結(jié)與展望63-65
• 參考文獻65-69
• 致謝69-70
• 個人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果70

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本文編號：277936