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地基红外差分吸收CO_2探测激光雷达激光稳频与信号处理研究

相成志  
【摘要】:温室气体能够使地球向外发射的长波辐射被重新吸收而形成温室效应,对地球气候产生巨大影响,威胁着人类的生存环境。为应对这一全球性的挑战,各国于2015年12月12日在世界气候大会上签订《巴黎协定》,确定了将全球气温控制在比工业化时期升高2℃以内,到2050年后实现碳排放与吸收相平衡的长期目标。作为最重要的正辐射强迫因子,CO_2浓度的持续上升对全球气候造成了巨大影响,但是,目前碳源、碳汇的研究仍有很大的不确定性,人类对其分布情况认识有限,这也导致了各国在减排问题上难以达成一致。因此,精确的大气CO_2浓度探测是理清碳源、碳汇,加深对碳传输的理解,制定合理减排政策的先决条件。1958年,全球首个大气CO_2浓度地面监测站在莫纳洛亚山上建立,从此进入了对全球大气CO_2监测研究的时代。目前大气CO_2探测手段可以分为被动探测与主动探测两种:被动探测主要包括地基/机载采样瓶探测以及卫星被动遥感测量,其中地基/机载CO_2浓度监测精度最高,是目前碳循环研究中主要的数据来源,但其成本较高,站点覆盖范围严重不足,且主要集中在发达国家,无法用于全球碳源、碳汇的分布研究;卫星被动遥感测量具有探测范围广、更新速度快的优点,几乎可以覆盖除高纬度以外的所有地区,然而受探测原理和距离的影响,星载CO_2被动探测的精度有限,也很难满足碳循环研究的需求。主动探测方式则以激光雷达为主,其中差分吸收激光雷达(Differential Absorption Lidar,DIAL)是公认的CO_2探测的强有力手段,受环境影响小,能够获得高精度、高时空分辨率的大气CO_2浓度信息,吸引了美国、德国和日本等发达国家的争相研制。目前各国的研制工作主要集中在发展更成熟、精度更高的IPDA柱浓度探测,虽然地基DIAL能够获得CO_2浓度分布的垂直廓线信息,对碳循环研究更有意义,但其系统复杂,研制难度大,目前相关研究较少。本文以研制一台高精度的地基红外CO_2-DIAL廓线探测系统为目标,对激光雷达系统的搭建以及应用过程中遇到的激光稳频、信号去噪与拼接问题展开研究,主要在以下几个方面取得了进展:1)搭建了地基红外CO_2-DIAL廓线探测系统,并将其进行可移动式方舱集成,将CO_2探测从实验室固定测量升级为野外实地探测,实现了科研仪器的实用性,为在野外获取高精度的CO_2浓度廓线资料奠定了基础。2)针对脉冲激光on波长稳定的难题,设计了一套波长控制单元,该单元以气体吸收池为主体,采用双光纤光路,消除了脉冲激光能量波动性给波长定标造成的误差,并通过小波模极大值与空回误差消除算法实现了脉冲激光on波长的精确定标。此外,提出了四分法匹配的on波长稳定算法,在检测到on波长发生漂移后,能够进行激光波长的快速匹配调节,实现了输出脉冲激光波长的长期稳定。3)针对红外差分吸收激光雷达激光能量低、信号强度弱、探测效率低等原因造成的回波信号信噪比低的难题,提出了利用提升小波进行回波信号去噪的方法,根据回波信号的特点来选择不同的预测与更新函数,更有针对性地对回波信号进行去噪处理,有效提高了 CO_2-DIAL探测系统的探测精度。4)对传统的信号拼接算法进行改进,发展了一种更加灵活高效的分段最小二乘拼接算法,将激光雷达信号进行分割,并根据每段信号的特点采用不同步长的最小二乘拟合,获得最佳的拟合参数,完成了激光雷达近场模拟信号与远场光子信号的有效拼接,提高了激光雷达的探测能力,实现了连续、高精度的CO_2浓度测量。5)将激光稳频与信号处理算法应用到实测实验中,在湖北武汉与安徽淮南两地进行了多次的水平、垂直与斜向探测实验,通过建立双波长吸收截面积快速查找表,实现了近实时的CO_2浓度反演,获得了当地连续观测的大气CO_2浓度廓线分布信息。6)最后,对本文的所有工作进行总结,并对地基红外CO_2-DIAL廓线探测系统研制的下一步工作进行了展望。


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