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1、(10)申请公布号 CN 102879772 A (43)申请公布日 2013.01.16 CN 102879772 A *CN102879772A* (21)申请号 201210351492.X (22)申请日 2012.09.20 G01S 7/497(2006.01) (71)申请人 武汉大学 地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山武 汉大学 (72)发明人 龚威 马昕 马盈盈 林宏 李俊 (74)专利代理机构 武汉科皓知识产权代理事务 所 ( 特殊普通合伙 ) 42222 代理人 严彦 (54) 发明名称 一种差分吸收大气 CO2激光雷达大气压力增 宽修正方法 (57) 摘要 本。
2、发明涉及一种差分吸收大气 CO2激光雷达 大气压力增宽修正方法， 其特点是 ： 首先采用对 波长敏感的纠正公式进行洛伦兹半峰全宽 FWHM 的计算， 兼顾增宽系数、 温度相关指数的独立性， 采用直接带值和迭代求解两种思路解决高空 CO2 混合比动值问题， 并将差分吸收激光雷达方程浓 度解CO2分子浓度与体积比 进行转化。采 用本发明后， 能够最大程度上摒弃经典算法在取 值上的不确定性， 避免新误差的带入， 同时根据实 验场景需求， 具体采用带值求解或迭代的方法具 有灵活性， 在差分吸收激光雷达测量大气CO2领域 具有很好的应用前景和极大的发展潜力。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 。
3、说明书 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 1/1 页 2 1. 一种差分吸收大气 CO2激光雷达大气压力增宽修正方法， 其特征在于， 包括以下步 骤 ： 步骤 1， 采用以下公式计算洛伦兹半峰全宽， 式中， L(P,T,) 代表洛伦兹半峰全宽， P 为压强数据， 为波长， T 是温度数据， T0是 标准温度， bL(air,) 为精确测定的大气压力增宽系数， bL(CO2,) 是 CO2气体的自增宽系 数， 是 CO2气体同空气的体积比， na()、值分别为大气和 CO2气体温度相关指数 ； 步骤 2， 判断是否满足迭代结束。
4、条件， 是则结束流程， 否则进入步骤 3 ； 步骤3， 根据步骤1所得洛伦兹半峰全宽， 由差分吸收激光雷达方程得到CO2浓度分布， 该结果直接以分子浓度 C 显示， 通过以下公式转化得到 CO2气体的浓度与体积比 式中， C 为每立方厘米空气中 CO2分子个数 ； 返回步骤1， 根据计算出的新的CO2气体的浓度与体积比重新计算洛伦兹半峰全宽。 2. 根据权利要求 1 所述差分吸收大气 CO2激光雷达大气压力增宽修正方法， 其特征在 于 ： 步骤 2 中迭代结束条件采用预设的迭代次数。 3. 根据权利要求 2 所述差分吸收大气 CO2激光雷达大气压力增宽修正方法， 其特征在 于 ： 步骤 1 中。
5、， 根据 CO2气体同空气的体积比 的预设初值， 采用公式 （3） 计算洛伦兹半峰 全宽， 预设的迭代次数设为 1。 4. 根据权利要求 1 或 2 或 3 所述差分吸收大气 CO2激光雷达大气压力增宽修正方法， 其特征在于 ： 步骤 1 中， CO2气体同空气的体积比 的预设初值为 0.04%。 权 利 要 求 书 CN 102879772 A 2 1/4 页 3 一种差分吸收大气 CO2激光雷达大气压力增宽修正方法 技术领域 0001 本发明涉及大气光学领域， 尤其涉及一种差分吸收大气 CO2激光雷达大气压力增 宽修正方法。 背景技术 0002 CO2作为温室气体主要成分对全球气候有重要的。
6、影响作用， 其浓度的变化， 会对全 球气候产生重要影响。 通过对CO2浓度的实时监测， 可以自主、 适时地获得全面、 可靠的区域 CO2源汇动态信息， 应对日益增长的碳排放压力问题。差分吸收激光雷达在探测 CO2方面具 有巨大优势， 是观测其垂直廓线分布的理想探测设备， 能够提供连续的时间和空间观测， 获 得较高的时空分辨率。对于差分吸收激光雷达， 可用信号表现为被探测大气物质对激光束 能量的吸收。同时为了排除其他因素的影响， 在差分吸收激光雷达中通常采用两束差别很 小的波长作为发射激光束。其中一束激光的波长选在 CO2 吸收峰的中心， 使其受到最大吸 收， 称为 on， 另一束激光的波长在吸。
7、收谷处， 使其受到的吸收尽可能小， 称为 off。通过测 量随高度增加的大气 CO2吸收的变化来反演 CO2浓度分布。 0003 然而， 在利用差分吸收激光雷达探测 CO2浓度时， 大气压力增宽对其有不可忽视的 重要影响， 大气压力增宽的修正对于 CO2激光雷达的浓度反演是极其重要的。 0004 高度 R 处厚度为 R=R2-R1的大气层中 （R 即位于大气层较高的高度 R2和大气层 较低的高度R1之间的中间高度） ， 差分吸收激光雷达探测的CO2浓度方程可以表现为如下形 式 ： 0005 0006 式中 Ng 代表 CO2密度的高度分布， g() 代表被探测组分的吸收截面积， 是波长 的敏感。
8、函数， 其中g(on)是波长on的敏感函数， g(off)是波长off的敏感函数 ； Ps(,) 代表回波信号强度， Ps(off,R2) 表示采用波长 off探测高度 R2处得到的回波信号 强度， Ps(on,R1) 表示采用波长 on探测高度 R1处得到的回波信号强度， Ps(on,R2) 表示 采用波长 on探测高度 R2处得到的回波信号强度， Ps(off,R1) 表示采用波长 off探测高 度 R1处得到的回波信号强度。由上式可见， 被探测组分的密度与两通道回波信号之比和两 波长处的吸收截面积之差有关。g() 的值与洛伦兹半峰全宽 (FWHM) 相关， 而大气压强 以及温度的变化会直。
9、接导致 FWHM 的变化， 称为压力增宽， 其谱线形状由洛伦兹廓线给出。 随着高度的增加， 压强同温度存在较大的波动， 导致洛伦兹廓线有所变化， 必须对其进行修 正， 即大气压力增宽修正， 以期获取更高的精度。 0007 目前国际上所采用的经典方法是大气辐射的有关理论， 求解 FWHM， 解决压力增宽 问题， 有如下计算方法 ： 0008 说 明 书 CN 102879772 A 3 2/4 页 4 0009 式中 L(P,T) 代表洛伦兹半峰全宽， P 是压强数据， T 是温度数据， 0是标准气压 P0（1.013KPa） 和标准温度 T0（273K） 时的半高宽， n 为温度相关指数。 0。
10、010 其局限性在于取值上的不确定性。对于 CO2分子， 0随谱线变化明显， 国际上通 用取值为 0.07cm-1； 温度相关指数 n 在 0.5-1 的范围内变动， 取 0.5 时称为经典值。这种取 值上的模糊性， 给反演结果带来了巨大的误差。 0011 本技术领域尚未有相关解决方案出现。 发明内容 0012 本发明的目的是提供一种较为准确的大气压力增宽的修正方法。 0013 为达到上述目的， 本发明采用如下的技术方案 ： 0014 一种差分吸收大气 CO2激光雷达大气压力增宽修正方法， 其特征在于， 包括以下步 骤 ： 步骤 1， 采用以下公式计算洛伦兹半峰全宽， 0015 0016 式中。
11、， L(P,T,) 代表洛伦兹半峰全宽， P 为压强数据， 为波长， T 是温度数据， T0是标准温度， bL(air,) 为精确测定的大气压力增宽系数， bL(CO2,) 是 CO2气体的自增 宽系数， 是 CO2气体同空气的体积比， na()、值分别为大气和 CO2气体温度相关指 数 ； 0017 步骤 2， 判断是否满足迭代结束条件， 是则结束流程， 否则进入步骤 3 ； 0018 步骤 3， 根据步骤 1 所得洛伦兹半峰全宽， 由差分吸收激光雷达方程得到 CO2浓度 分布， 该结果直接以分子浓度 C 显示， 通过以下公式转化得到 CO2气体的浓度与体积比 0019 0020 式中， C。
12、 为每立方厘米空气中 CO2分子个数 ； 0021 返回步骤 1， 根据计算出的新的 CO2气体的浓度与体积比 重新计算洛伦兹半峰 全宽。 0022 而且， 步骤 2 中迭代结束条件采用预设的迭代次数。 0023 而且， 步骤 1 中， 根据 CO2气体同空气的体积比 的预设初值， 采用公式 （3） 计算 洛伦兹半峰全宽， 预设的迭代次数设为 1。 0024 而且， 步骤 1 中， CO2气体同空气的体积比 的预设初值为 0.04%。 0025 本申请提出了一种压力增宽的新修正方法， 在最大程度上实现了谱线数据同标准 状况下 FWHM 以及温度相关指数 n 的对应， 根据实验波长的选取 （本发。
13、明采用 1.57m 波长） 采用对应的半高宽 0和温度相关指数 n， 更为科学、 合理， 反演结果更为精确。同时可以解 决了其他波长 （谱线） 数据面临的相同问题。本发明具有以下优点和积极效果 ： 0026 1） 摒除了经典纠正在取值上的不确定性， 避免了新的误差的带入 ； 说 明 书 CN 102879772 A 4 3/4 页 5 0027 2） 明确了标准状况下的 FWHM 同波长的关系 ； 0028 3） 根据实际场景需求， 分别采用带值求解和迭代的方法具有灵活性。带值求解运 算速度快， 可以实现实验反演结果的实时显示 ； 迭代的方法能够大幅度提高反演精度。 0029 4） 新纠正算法。
14、参数的测量是在广谱范围内进行的， 对于其他 ( 如 2m) 激光雷达 具有参考价值 ； 具体实施方式 0030 以下通过实施例详细说明本发明技术方案。 0031 实施例的一种差分吸收大气 CO2激光雷达大气压力增宽修正方法可采用计算机软 件计算实现自动运行， 包括以下步骤 ： 0032 步骤 1， 采用以下公式计算洛伦兹半峰全宽， 0033 0034 式中， L(P,T,) 代表洛伦兹半峰全宽， P 为压强数据， 为波长， T 是温度数据， T0是标准温度， bL(air,) 为精确测定的大气压力增宽系数， bL(CO2,) 是 CO2气体的自增 宽系数， 是 CO2气体同空气的体积比， na。
15、()、值分别为大气和 CO2气体温度相关指 数。 0035 本发明提出的差分吸收大气 CO2激光雷达大气压力增宽修正方法， 首先明确了采 用公式 (3) 进行洛伦兹半峰全宽的计算。该公式需要随高度分布的温度、 压强廓线， 一共涉 及 8 个参数， 其中 5 个参数 bL(air,)、 bL(CO2,)、 、 na()、是新增的、 具体的， 明 确了 FWHM 对波长的敏感性， 更加复杂、 精确。纠正公式中的增宽系数 bL(air)、 bL(CO2) 及温 度相关指数 na、 同激光发射波长 密切相关， 一一对应。 0036 根据 CO2的吸收谱线， 并考虑到相应的水汽干扰应该最小情况， 本发明。
16、建议采用 1.57m 波长， 即差分吸收 1.57m 大气 CO2激光雷达选择 1572.018nm 的波长 on作为波 长， 1572.150nm 作为波长 off。根据 on或 off相应的参数用公式 （3） 进行计算， 可以得 到 on或 off的吸收截面积精度。 0037 实际在计算时， 由于波长 off的吸收截面积同 on相比可忽略， 往往只关注 on 的相关参数值。 选择on作为， 增宽系数bL(air,)、 bL(CO2,)及温度相关指数na()、 采用对应的值， 采用公式 （3） 进行计算， 结果即可作为本步骤所求洛伦兹半峰全宽。 0038 实施例参考自然界 CO2浓度的垂直分。
17、布， 将 CO2气体同空气的体积比 的初值预 设为 0.04%。 0039 步骤 2， 判断是否满足迭代结束条件， 是则结束流程， 否则进入步骤 3。 0040 步骤 2 中迭代结束条件可以采用预设的迭代次数。一般可以设为 3 次或 4 次。流 程设计时， 可以在第一次执行步骤1时， 令当前迭代次数的初值为1， 执行到步骤3时当前迭 代次数 = 当前迭代次数 +1。 0041 步骤 3， 通过以下公式转化得到 CO2气体的浓度与体积比 说 明 书 CN 102879772 A 5 4/4 页 6 0042 0043 式中， C 为每立方厘米空气中 CO2分子个数 ； 0044 然后返回步骤 1。
18、， 根据计算出的新的 CO2气体的浓度与体积比 重新计算洛伦兹 半峰全宽。 0045 本发明涉及不同高度大气中 CO2分子浓度与体积比 的转化， 同时考虑到温度、 压强的影响。 0046 洛伦兹半峰全宽 FWHM 直接影响到差分吸收激光雷达求解 CO2浓度的关键部 分吸收截面积。 根据步骤1所得洛伦兹半峰全宽， 由差分吸收激光雷达方程得到CO2浓 度分布， 差分吸收激光雷达方程即公式 （1） 。该结果直接以分子浓度 C 显示。 0047 公式 （3） 是在实验室条件下进行实验并验证的， 是向容器中冲入固定体积比的 CO2， 得到的是定值理论 ； 在激光雷达领域， CO2的浓度随高度明显变化， 。
19、这是动值问题。对 此， 以该定值理论为基础， 本发明提出了两种解决思路 ： 一是直接带值求解 FWHM， 二是采用 迭代的方法求解。 0048 具体来说， 第一种思路即认为为0.04%(参考自然界CO2浓度的垂直分布)且为 计算 FWHM 时的体积比真值， 直接带入公式计算， 可以迅速得到计算结果， 同时对精度的影 响不大。其优点在于， 进行观测实验时可以快速、 实时显示 CO2浓度的垂直分布情况， 便于 直接查看 CO2浓度结果， 同时不会将错误值重复引入计算， 对于激光雷达系统调试工作具有 很高的参考价值。步骤 1 中根据 CO2气体同空气的体积比 的预设初值， 采用公式 （3） 计 算的。
20、洛伦兹半峰全宽即作为本发明的结果， 无需再执行后续步骤。 具体实施时， 可以通过将 预设的迭代次数设为 1 实现。 0049 第二种思路是采用迭代的方式， 设定 CO2体积比初值 0.04% 作为迭代变量， 经过一 次迭代可以反演出 CO2浓度分布， 该结果直接以分子浓度显示， 通过公式 (4) 转化为 ， 此 时， 是一条与高度有关的廓线， 与温度、 压强值相对应， 观察公式(3)可以发现， FWHM同温 度、 压强、 密切相关， 三个量均是高度的函数， 廓线可以直接应用到第二次迭代中， 经 过 34 次迭代可以满足精度。迭代后的反演结果精度明显优于第一种思路， 但是对于数据 处理系统性能要。
21、求较高， 计算时间延迟较大。 0050 在实验初期， 激光雷达回波信号并不理想， 经常出现体积比大大超过或小于正常 大气水平的情况， 采用第一种方案， 可快速、 实时地查看结果的正确性， 便于系统调节 ； 实验 后期， 系统稳定后， 在各种硬件、 软件问题已经克服的前提下， 误差二次引用的可能性大大 降低， 对于数据的精确处理必须运用迭代的方法， 来提高精度。 0051 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。 本发明所属技术领 域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代， 但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。 说 明 书 CN 102879772 A 6 。