温室气体激光外差光谱测量技术与反演算法研究

论文摘要

激光外差光谱测量技术利用相干探测的原理将频率较高的红外信号转换至频率较低的射频信号,具有较高的信噪比和很高的光谱分辨率,在测量大气气体分子吸收光谱和反演气体柱浓度或浓度廓线方面具有独特优势。目前该技术在获取整层大气透过率、温室气体吸收谱线测量及浓度反演等已取得广泛应用。实验室前期搭建的激光外差光谱测量装置已经成功开展外场观测,但该装置在系统信噪比、仪器线型函数理论以及气体浓度反演算法等方面尚存在一些不足。本文针对上述问题开展了深入研究,获得的主要成果如下:（1）分别利用3.53μm和3.29μm分布反馈式带间级联激光器搭建了两个特征波长的高分辨激光外差光谱仪。（2）利用等效噪声理论和线性双端口网络传输原理,分析了激光外差光谱仪的信噪比,得到了探测灵敏度和信噪比的理论公式;基于激光外差原理和信号处理过程,分析了激光外差光谱仪的仪器线型函数,获得了仪器线型函数的理论表示式。（3）基于激光外差光谱仪的信噪比和仪器线型函数理论分析的过程和结果,调整激光外差光谱仪的传输效率等参数,将3.53μm激光外差光谱仪的信噪比由13.9dB提高至24.9dB,光谱分辨率由0.11cm-1提高至0.009cm-1。（4）首次利用建立的3.53μm激光外差光谱仪测量了合肥、敦煌和姚安三个典型地区水汽和甲烷的高分辨率吸收光谱,并结合最优估算法反演出水汽和甲烷的浓度。结果表明,合肥地区的水汽和甲烷浓度呈现明显的季节变化;敦煌地区反演结果与探空测量结果的相关系数为0.935,水汽和甲烷柱浓度与EM27/SUN反演结果偏差分别在16%和5%以内。利用建立的3.29μm激光外差光谱仪测量了合肥地区臭氧的高分辨率吸收光谱,并对其浓度进行反演。本文的研究工作提高了激光外差光谱仪的测量精度,为其在众多研究领域中的应用提供了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 分子吸收对气候变化及环境的影响
•     1.1.1 水汽
•     1.1.2 甲烷
•     1.1.3 臭氧
•   1.2 分子吸收对激光大气传输的影响
•   1.3 气体吸收光谱测量技术与仪器
•     1.3.1 太阳辐射计
•     1.3.2 红外傅里叶变换光谱仪
•     1.3.3 空间外差光谱仪
•     1.3.4 激光外差光谱仪
•   1.4 小结
• 第二章 大气结构与分子吸收光谱理论
•   2.1 大气主要吸收气体成分及其垂直分布特征
•     2.1.1 大气中的主要吸收气体
•     2.1.2 大气垂直分布特征及常用大气模式
•   2.2 分子光谱
•     2.2.1 分子能级
•     2.2.2 转动光谱
•     2.2.3 振动光谱
•     2.2.4 振动转动光谱
•   2.3 分子谱线线强与线型
•     2.3.1 气体分子吸收线强
•     2.3.2 气体分子吸收线型
•     2.3.3 谱线的压力位移
•   2.4 HITRAN数据库
•   2.5 透过率计算方法
•     2.5.1 逐线积分法
•     2.5.2 相关k分布法
•     2.5.3 谱带模式方法
•   2.6 小结
• 第三章 激光外差光谱测量技术与反演算法
•   3.1 激光外差光谱仪的信噪比分析
•   3.2 激光外差光谱仪的仪器线型函数分析
•   3.3 气体浓度反演算法
•     3.3.1 最优估算法原理
•     3.3.2 先验廓线
•     3.3.3 反演流程及参数设置
•   3.4 小结
• 第四章 双波段激光外差光谱仪
•   4.1 3.53μm和3.29μm激光外差光谱仪的搭建
•     4.1.1 目标跟踪模块
•     4.1.2 外差光路模块
•     4.1.3 外差信号处理模块
•   4.2 激光外差光谱仪信噪比的提高
•   4.3 激光外差光谱仪的光谱分辨率
•   4.4 激光外差数据预处理
•     4.4.1 基于主成分分析的经验模态分解去噪
•     4.4.2 测量信号的去调制
•   4.5 小结
• 第五章 典型地区温室气体浓度反演结果
•   5.1 典型地区水汽浓度反演结果
•     5.1.1 合肥地区
•     5.1.2 敦煌地区
•     5.1.3 姚安地区
•   5.2 典型地区甲烷浓度反演结果
•     5.2.1 合肥地区
•     5.2.2 敦煌地区
•     5.2.3 姚安地区
•   5.3 合肥地区臭氧廓线反演结果
•   5.4 温室气体反演特征量分析
•   5.5 小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 卢兴吉

导师: 饶瑞中,曹振松

关键词: 激光外差技术,温室气体,光谱测量,反演算法

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技,信息科技

专业: 物理学,园艺,无线电电子学

单位: 中国科学技术大学

分类号: TN24;S625

总页数: 115

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