[发明专利]多波长激光雷达的CO2

说明书

本发明提供的多波长激光雷达的CO₂浓度分层反演方法及系统，包括：S100根据气候和碳循环对CO₂浓度的影响程度，在竖直方向对CO₂浓度反演的积分路径进行分层；S200对每一层分别构建对应的CO₂浓度多波长反演模型及权重模型，获得各层的CO₂柱浓度计算模型；S300根据各层的CO₂柱浓度计算模型进行线性方程集合，获得以各层的CO₂柱浓度作为待解算参数的观测方程，采用线性最小二乘法解算各层的CO₂柱浓度，根据CO₂柱浓度计算获得各层的CO₂浓度。本发明考虑了大气层中CO₂的真实分布状态，可获得精度更高的CO₂浓度反演结果。

技术领域

本发明属于卫星反演CO₂浓度技术领域，尤其涉及多波长激光雷达的CO₂浓度分层反演方法及系统。

背景技术

“全球变暖”已经成为当下最热的环保热议话题，全球变暖现象主要由温室气体引起。该现象形成的过程为：地面接收太阳辐射的短波，并向大气层发射一部分的长波，而温室气体大量吸收地面辐射的长波发射的能量，所以使得地面与温室气体之间的温度逐渐上升。温室气体主要包括CO₂、CH₄、水蒸气等，在这些气体中，CH₄的影响效率是最高的，CO₂次之。但是CO₂的含量大概是CH₄的4倍，因此CO₂被认为是最重要的温室气体。所以研究CO₂的碳源以及碳汇意义重大。

差分吸收激光雷达为人类提供了主动探测CO₂浓度的途径，世界气象组织对CO₂柱浓度的探测精度要求是误差小于1％。但是现有的地面探测、空中探测、卫星探测均达不到该精度。提高硬件性能是提高精度的一种方法，而采用更加科学合理的方法却更有效且更具性价比。

针对差分吸收激光雷达反演CO₂浓度，国内外学者结合气象学、物理学以大气辐射传输模型等理论知识，总结出经典的CO₂浓度反演模型，见公式(1)～(2)。

式(1)中，P_λ(r)表示特定波长λ的激光在探测范围r处的接收功率；探测范围r即目标到接收器的距离；Q表示表面反射率；ξ_λ表示波长λ的总仪器效率；E₀表示单个激光脉冲的输出能量；Δt_eff表示激光雷达返回的有效脉冲长度；A表示接收器区域；T_atm表示大气光学透过率；p_surface和p_toa分别表示地表压强和上限压强；p表示压强；表示压强为p处的大气CO₂分子数密度；σ(λ,p)表示痕量气体分子在波长为λ、压强为p时的吸收截面面积。

根据权重函数即可计算CO₂柱浓度，也即CO₂空气密度混合比

式(2)中，P_off和E_off表示off波长的能量值和单脉冲能量；P_on和E_on表示on波长的能量值和单脉冲能量；WF(p)表示压强p对应的权重。

现有的CO₂差分吸收激光雷达反演法均未考虑大气层中CO₂的真实分布状况，也忽略了大气层中压强以及空气质量(air mass)等影响因子的变化，所以CO₂反演精度还有进一步提高的空间。

发明内容