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大气温室气体近红外激光外差光谱遥感探测技术及应用研究

王晶晶  
【摘要】:大气温室气体浓度的增加导致的全球气候变暖,已引起了社会的广泛关注。地球大气研究及未来气候变化的预测都与温室气体浓度的准确观测紧密相关。目前用于大气温室气体柱浓度观测的高光谱分辨率仪器一般体积大、观测成本高,不利于温室气体观测的广泛开展。基于激光外差光谱检测技术的激光外差辐射计具有光谱分辨率高、体积小、成本低的特点,有利于实现大气温室气体外场移动观测。本论文主要围绕近红外激光外差光谱检测技术及其应用开展研究,论文的主要工作与创新如下:(1)建立了用于大气CH4或CO2测量的自由空间激光外差辐射计。研究了信号光和本振光的最佳空间耦合模式,设计了最佳的空间耦合光路。研究了系统电路噪声对外差信号的影响,利用电子滤波器减小系统的噪声同时提高测量系统的光谱分辨率。获取了整层大气中CH4与CO2的大气透过率,两者的光谱信噪比分别为115与55。(2)研制了一套全光纤双通道大气温室气体CH4与CO2同时检测的激光外差辐射计。装置采用了光纤光开关与其他光纤器件使测量系统的稳定性和可靠性大大提高。在合肥进行连续观测实验并与GOSAT的测量结果进行对比具有近似的一致性,集成的仪器在青海地区也进行了野外观测。(3)研究了随机共振的原理及其在微弱信号处理中的应用,将其应用于激光外差信号的处理。模拟计算证明随机共振处理可以使外差信号的信噪比提高1.89 倍。(4)设计了用于对大气中CO2及其同位素气体进行光谱检测的激光外差辐射计。采用外腔激光器作为本振光源,实现在6248.5 cm-1~6256cm-1范围内的光谱连续测量,进而获取整层大气中12CO2与13CO2的大气透过率。


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