IPDA激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)分析

IPDALidar系統(tǒng)參數(shù)分析目錄激光器參數(shù)優(yōu)化分析3背景介紹12后續(xù)工作4IPDAlidar工作原理背景介紹二氧化碳(CO2)是地球大氣中最重要的溫室氣體成分之一，在全球氣候變化當(dāng)中扮演重要的角色。目前，CO2主要排放源為人類工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，作為匯的地球海洋、陸地植被約吸收了人類排放量的一半左右，這些匯限制了CO2在大氣中的持續(xù)累積速率。觀測(cè)表明，CO2濃度已經(jīng)從20世紀(jì)50年代約310ppm升到目前約400ppm，平均年增長(zhǎng)率約2ppm。IPCC評(píng)估報(bào)告指出，60%的溫室氣體輻射強(qiáng)迫由CO2引起，CO2濃度的這種快速增長(zhǎng)引起了人們對(duì)于全球變暖、極端氣候的擔(dān)憂。美、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家提出利用市場(chǎng)機(jī)制，增加碳關(guān)稅方式限制CO2排放，解決全球氣候變化問題。因此，監(jiān)測(cè)大氣CO2濃度變化不僅是氣候變化問題，也是社會(huì)發(fā)展問題。背景介紹在全球范圍內(nèi)高精度地監(jiān)測(cè)CO2濃度，獲取可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)，成為研究這一問題的首要方面。地面觀測(cè)方式具有精度高、時(shí)間分辨率高、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但是受站點(diǎn)位置限制，空間分辨率不高，而且南北兩極以及海洋、沙漠等地區(qū)缺少觀測(cè)站點(diǎn)。因此，需要發(fā)展星載CO2遙感技術(shù)，以提供高精度、高空間分辨率的全球CO2觀測(cè)，這些觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)該對(duì)大氣低層(對(duì)流層甚至邊界層)CO2具有較高的敏感性。在對(duì)全球大氣CO2濃度進(jìn)行測(cè)量時(shí),衛(wèi)星有效載荷一般采用被動(dòng)太陽光譜吸收技術(shù)或主動(dòng)激光差分吸收光譜技術(shù)。其中,被動(dòng)差分吸收光譜技術(shù)需要利用太陽光,不能實(shí)現(xiàn)全天時(shí)測(cè)量。另外,其測(cè)量精度受大氣氣溶膠和云的干擾很大。而主動(dòng)激光差分吸收光譜技術(shù)則能夠滿足全天時(shí)測(cè)量要求,而且不受氣溶膠的影響。該技術(shù)在薄云條件下仍然有效,并具有高測(cè)量精度,因而是實(shí)現(xiàn)全球高分辨率、全天時(shí)CO2濃度測(cè)量的最佳手段。為了提高測(cè)量精度,國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在用被動(dòng)光譜技術(shù)測(cè)量全球大氣CO2濃度的基礎(chǔ)上,均已啟動(dòng)了相關(guān)的星載激光雷達(dá)研究計(jì)劃。大氣CO2濃度測(cè)量方法包括距離分辨差分吸收法和積分路徑差分吸收法。其中,距離分辨差分吸收法可以獲得CO2濃度剖面,但是由于大氣中CO2含量少,剖面測(cè)量需要很長(zhǎng)的積分時(shí)間,因此并不合適星載平臺(tái)，而積分路徑差分吸收法則可以在衛(wèi)星平臺(tái)上獲得高精度和高水平分辨率的CO2柱線濃度。目錄激光器參數(shù)優(yōu)化分析3背景介紹12后續(xù)工作4IPDAlidar工作原理IPDAlidar工作原理激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射出兩束窄線寬波長(zhǎng)相近的激光,其波長(zhǎng)分別位于吸收譜線的峰值(on-line)和谷底處(off-line)。通過測(cè)量這兩束發(fā)射激光的功率以及地面回波信號(hào)的功率,然后結(jié)合吸收光譜數(shù)據(jù)便可計(jì)算出測(cè)量路徑上的柱線濃度。IPDAlidar工作原理目前全球CO2濃度測(cè)量主要是在1.57μm和2.05μm兩個(gè)波段上進(jìn)行的?？紤]水汽影響和溫度靈敏度等因素,1.57μm和2.05μm是測(cè)量大氣CO2柱線濃度的優(yōu)選波段。與2.05μm波段相比,1.57μm波段具有以下優(yōu)勢(shì):對(duì)溫度誤差不靈敏;幾乎不受水汽帶的干擾;對(duì)于高空至低對(duì)流層的柱線濃度測(cè)量有好的加權(quán)函數(shù);激光器技術(shù)更為成熟。目錄激光器參數(shù)優(yōu)化分析3背景介紹12后續(xù)工作4IPDAlidar工作原理激光器參數(shù)分析—激光頻率穩(wěn)定性

從CO2的吸收光譜圖中可以看出,不同頻率所對(duì)應(yīng)的吸收截面差別很大,激光器輸出頻率的不穩(wěn)定會(huì)帶來柱線濃度的測(cè)量誤差。由激光頻率穩(wěn)定性所引起的測(cè)量誤差可以用光譜斜率來評(píng)估：由于off-line處的光譜斜率很小,較為平坦,而且off-line處的光學(xué)厚度很小,所以off-line處由頻率不穩(wěn)定帶來的誤差很小,可以忽略不計(jì)。但是on-line處的光譜斜率較大,頻率不穩(wěn)定會(huì)帶來很大的誤差。越靠近吸收光譜的頻率中心,由頻率穩(wěn)定性帶來的誤差越大。激光器的頻率穩(wěn)定性越差,所產(chǎn)生的誤差也越大激光器參數(shù)分析—激光光譜純度激光光譜不純主要是由激光器自發(fā)輻射出其他頻率的光而引起的。系統(tǒng)需要的光譜純度可由下式進(jìn)行估算：式中，Pspec為光譜純度；Δσ/σ為可容忍的最大相對(duì)橫截面誤差；ODmax為最大光學(xué)厚度。如果假設(shè)理想單程光學(xué)厚度約為1.1,吸收截面誤差為0.02%,那么光譜純度需要達(dá)到99.997%。在接收光路中使用窄帶濾波器可以阻擋特定光譜之外的大量背景輻射,這樣便可放寬對(duì)光譜純度的要求。如果選擇1GHz的濾波器,那么光譜純度需要達(dá)到99.9%；而如果選擇6GHz的濾波器,那么光譜純度就要高達(dá)99.97%。激光器參數(shù)分析—激光帶寬激光器發(fā)出的光不可能是單色光。在其中心頻率周圍的其他頻率的光也會(huì)因大氣CO2和其他氣體吸收而引起回波功率變化,從而影響濃度測(cè)量，有效吸收截面可定義為：式中，L(ν-ν0)為激光的光譜能量分布；ν0為中心頻率。激光的線型可用下式表示：式中，ζr和ζf分別為上升時(shí)間和下降時(shí)間。激光器參數(shù)分析—激光帶寬通過上面分析，激光帶寬可以表示為：分別在吸收中心處和偏移一個(gè)洛侖茲半寬處改變激光帶寬的數(shù)值，然后計(jì)算吸收截面，其對(duì)濃度測(cè)量引起的誤差如圖。

在偏離吸收