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星载温室气体探测IPDA激光雷达指标论证

马晖  
【摘要】:二氧化碳是长期存在的大气成分,是最重要的温室气体之一,自工业革命以来在大气中含量逐年增加。分析二氧化碳浓度变化趋势,将为研究二氧化碳源汇相互作用,理解气候变化,对治理和控制二氧化碳排放有着重要意义。从全球尺度上获得高精度二氧化碳柱浓度数据有助于在模式研究中进行碳通量机制分析,研究二氧化碳源汇分布变化,提升对二氧化碳与气候之间关系的研究。精度优于1 ppm的二氧化碳柱浓度数据可以满足绝大部分模式对二氧化碳输入数据的要求,这对于二氧化碳数据质量要求非常严格。星载积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达作为新一代全球二氧化碳探测手段,自身携带光源实现昼夜探测,探测范围覆盖全球,权重偏重于底层大气,反演数据为带权重的二氧化碳干空气柱含量(XCO2),具有高精度高时空分辨率,可以满足二氧化碳模式研究的精度要求。本文围绕星载积分路径差分吸收激光雷达探测中各个部分进行误差分析,包括谱线脉冲波长的优化,激光雷达系统中发射单元、接收单元及载荷部分分析,脉冲在大气中传输过程中大气和地表等因素的影响等分析,进行各项参数指标论证,主要包括以下几个方面的研究内容:1.通过对脉冲谱线增宽性质和权重函数的研究,优化选择系统的脉冲工作波长,使得探测敏感性偏重于底层大气,探测结果受大气温度和气压变化影响小,反演二氧化碳柱浓度不会放大底层二氧化碳波动,探测数据更加接近实际大气二氧化碳浓度。2.对激光雷达系统各部分参数以及载荷参数影响进行分析。对系统的发射单元中脉冲能量线宽、精度和频率的不稳定性进行分析,讨论了光谱纯度、多普勒频移对探测的影响。3.在接收系统研究中研究了来自散粒噪声、背景辐射和散斑干扰的影响,分析了望远镜、探测器和数据采集系统在探测中的影响。在载荷部分分析空间分辨率、轨道高度的选择以及其他涉及到的辅助参数的影响。4.分析了脉冲在大气传输和地表反射过程各项参数对探测造成的影响。提出了机载IPDA探测的优化分析算法。讨论了大气大气传输过程中各方面因素的影响,提出通过统计分析和场景分析研究利用云面反射的研究思路。着重分析了地表反射率对探测的影响,脉冲波长在地表足印不重合导致两束波长的反射性质不同是探测的最主要误差源之一,提出相对地表反射率方法,可以有效地减少由于地表足印不重合带来的误差。提出了使用星载角反射器IPDA方法探测大气二氧化碳的方法并进行技术论证。最后根据对各部分探测误差分析研究,给出探测误差以及误差分配,误差分析结果满足二氧化碳探测精度要求及指标论证需求。根据研究成果,考虑仪器的总体要求,为仪器各方面性能优化和提升提供理论基础。为未来实测数据的误差分析和产品研究提供基础。


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