机载积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达测量大气CO2浓度研究.pdf

1、 密级 : 硕士学位论文 机载积分路径差分吸收（ IPDA）激光雷达测量大气CO2 浓度研究 作者姓名 ： 史成龙 指导教师 : 陈卫标 研究员 刘继桥 研究员 学位类别 : 工学硕士 学科专业 : 光学工程 培养单位 : 中国科学院上海光机所 2015 年 4 月 机载积分路径差分吸收（ IPDA）激光雷达测量大气 CO2 浓度研究 Research on Air-borne IPDA Lidar carbon dioxide column concentrations measurement By Shi Chenglong A Dissertation Submitted to Univ

2、ersity of Chinese Academy of Sciences In partial fulfillment of the requirement For the degree of Master of Optical Engineering Shanghai institute of optics and fine mechnics April, 2015 中国科学院上海光学精密机械研究所 硕士学位论文 论文题目 机载积分路径差分吸收（ IPDA）激光雷达测量 CO2浓度研究 专 业 光 学工程 研究生姓名 史 成龙 导师姓名 陈 卫标 刘继桥 研究生入学时间 2012 年 9

3、月 2015 年 4 月 29 日 机载积分路径差分吸收（ IPDA）激光雷达测量大气 CO2 浓度研究 独创性声明 本人声明所呈的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院上海光学精密机械研究所或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 工作 所做的任何贡献 ， 均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名； _ 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解中国科学院上海光学精密机械研究所有关保留

4、、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文件，允许论文被查阅和 借阅。本人授权中国科学院上海光学精密机械研究所可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 学位论文作者毕业去向： _ 工作单位： _ 电话： _ 通信地址 ： _ 邮编： _ 电子邮件地 _ 中国科学院大学上海光机所研究生毕业论文 /2015 I 机载积分路径差分吸收（ IPDA）激光雷达测量大气 CO2 浓度研

5、究 史成龙 指导老师：陈卫标 刘继桥 摘 要 大气 CO2 是引起温室效应的主要气体之一，在全球气候变化中扮演重要作用。全球 大气 CO2 浓度的精确测量 ，对 于增强对碳循环的理解 和气候气象研究重大帮助， 有助于可靠的预测将来的 CO2 排放收支平衡，因此具有重要的科学意义和应用价值 。 为了更好地预测气候变化，制定有效的政治框架来约束温室气体的排放，需要一个更精确高效的 全球 大气温室气体检测技术。 光学 差分吸收 激光雷达 技术是一种高精度、高灵敏度的测量方法，已被广泛应用于痕量气体 浓度 测量等多个领域。 它 作为一种有效的，高精度的测量手段，不易受太阳辐射、气溶胶散射、地域、季节的

6、影响，是一个全新的应用 技术 。 本文首先简要介绍了 机载 积分路径 差分吸收激光雷达 (IPDA)激光雷达的研究背 景和国内外相关动态。第二章 介绍了 机载 差分吸收激光雷达的探测原理 以及CO2 浓度反演方法 。 第三章介绍了激光雷达工作 波长选择与优化，在介绍了相关大气模型的基础 后 ，着重讨论了 大气 温度和权重函数对波 长选择的影响，给出了优化的工作波长 ， on-line 波数为 6361.2250cm-1， off-line 波数为 6360.979cm-1。 第四章对机载 IPDA 激光雷达测量 CO2 浓度误差进行了分析。 对选定的on-line 波长 6361.2250cm

7、-1 进行 浓度测量 误差分析。主要 分析了 相对 随机误差中的 光子噪声、探测器噪声、散斑噪声和 背景噪声等 引入的误差 和 相对 系统误差中的 温度 不确定度 、压强 不确定度 、水汽浓度 不确定度 、 激光 器参数 (带宽、频率机载积分路径差分吸收（ IPDA）激光雷达测量大气 CO2 浓度研究 II 漂移、光谱纯度 )、脉冲 能量监测误差、 平台指向变化引入 误差 、 差分吸收双波长 足印不重叠引起的地表反射率剧烈变化等 产生的误差 ，通过理论分析和 仿真给出了各误差源引入的 CO2 浓度测量误差 ，从而评估出对 它们 对 IPDA 系统 测量CO2 浓度 的影响。最后对各个误差项进行

8、了合成， 给出了机载 IPDA 系统总误差 ，总误差为 0.78ppm。 第五章 进行了机载激光雷达系统初步 地面 验证试验，结合地面气象设备，获得大气参数（温度、压强、水 汽），利用得到的数据进行大气 CO2 浓度的反演。受限于系统的不稳定性和数据量太少的原因，结果 显示 与气体分析仪 测量 的 CO2浓度 有误差 约 8ppm。 关键词： 二氧化碳浓度； 光学 差分吸收； 机载 IPDA 激光雷达；测量误差；地面验证 中国科学院大学上海光机所研究生毕业论文 /2015 III Research on Air-borne IPDA Lidar carbon dioxide column co

9、ncentrations measurement Shi Chenglong Directed by : Chen Weibiao Liu Jiqiao Abstract CO2 is one of the main atmospheric greenhouse gases, which plays an important role in global climate change. Global CO2 concentration with high precision measurements are important for understanding carbon cycle an

10、d improving the climate forecast model. They are useful for the prediction of future CO2 source and sink, which have important scientific and application values. In order to predict the change of climate system reasonably as well as helping to make political strategies on greenhouse gas emission, a

11、more accurate and effective technique to measure global atmospheric greenhouse gas has been strongly required, especially for CO2. Differential absorption Lidar(DIAL) technique is a method for trace gas concentration measurement with high accuracy and sensitivity, which has been applied to many fiel

12、ds. It is almost free from solar radiance and aerosol scattering .So air-borne DIAL is a promising technique for CO2 column concentrations measurement. First, the background and development of air-borne integrated path differential absorption(IPDA) lidar is introduced. Then the principle of air-born

13、e DIAL and the CO2 concentration inversion method are presented in the second chapter. The third chapter introduces the selection and optimization of the wavelength of the air-borne 机载积分路径差分吸收（ IPDA）激光雷达测量大气 CO2 浓度研究 IV IPDA lidar. We discussed in detail the influence of temperature and weighting fu

14、nction for wavelength, and the optimized with on-line 6361.2250cm-1 and off-line 6360.979cm-1 are presented. In the fourth chapter, we analyze the CO2 concentration measurement errors of air-borne IPDA lidar . Relative random errors (RRE) and relative systematic errors (RSE) are studied at optimized

15、 wavelengths with given lidar system parameters. RRE arise from photon noise, detector noise, laser speckle noise and background noise. RSE arise from temperature uncertainty, pressure uncertainty, water vapor mixing ratio uncertainty, laser parameters (bandwidth, frequency drift and spectral purity

16、) change, pulse energy calibration, pointing misalignment due to platform change and strongly varying surface reflectivity conditions due to overlap error. The CO2 concentration measurement errors from those error sources are analyzed through theoretical simulation. Under the assumptions of reasonab

17、le parameters uncertainties, the measurement errors were calculated and their influences on IPDA system performance were estimated. Finally, total absolute error budget of 0.78ppm is given from individual relative errors contributions. The preliminary experiment results of the air-borne lidar system

18、 are present in the fifth chapter. Combined with the parameters from the ground meteorological equipment, such as temperature, pressure, water vapor, we can retrieve CO2 column concentrations from the hard target echo signal about 824m away in horizontal direction. Because of the instability of the

19、system few valid data is got, which is used to calculate CO2 concentrations. The lidar measured concentrations are almost lower 8ppm than concentrations from CO2 gas analyzer. Key words : CO2 concentration ;optical differential absorption ;air-borne IPDA Lidar; measurement errors; ground validation

20、中国科学院大学上海光机所研究生毕业论文 /2015 V 目 录 1 绪论 . 1 1.1 积分路 径差分吸收（ IPDA）激光雷达概述 . 1 1.2 机载 IPDA 激光雷达测量 CO2 浓度国内外研究现状 4 1.3 本论文主要内容 . 6 2 机载 IPDA 激光雷达测量 CO2 浓度原理 8 2.1 IPDA 激光雷达原理和反演 CO2 浓度算法 . 8 2.1.1 IPDA 激光雷达光学厚度原理 8 2.1.2 CO2 吸收截面和浓度反演算法 . 11 2.2 小结 16 3 机载 IPDA 激光雷达波长选择与优化 . 17 3.1 温度对波长选择的影响 . 17 3.2 权重函数对

21、波长选择的影响 . 19 3.3 波长优化数值仿真 . 21 3.3.1 大气模型 . 21 3.3.2 波长优化模型 . 23 3.3.3 波长优化结果 . 25 3.4 小结 . 26 4 机载 IPDA 激光雷达测量 CO2 浓度误差分析 27 4.1 相对随机误差 27 4.2 相对系统误差 30 4.2.1 温度不确定引入的相对系统误差 . 30 4.2.2 压强不确定性引入的相对系统误差 . 32 4.2.3 大气水汽混合比不确定性引入的相对系统误差 . 34 4.3 激光器参数引入的相对系统误差 . 35 机载积分路径差分吸收（ IPDA）激光雷达测量大气 CO2 浓度研究 VI

22、 4.3.1 频率抖动引入的相对系统误差 . 35 4.3.2 激光带宽引入的相对系统误差 . 36 4.3.3 光谱纯度引入的相对系统误差 . 38 4.4 其他 因素引入的相对系统误差 . 42 4.5 系统综合误差分析 . 44 5 机载激光雷达系统地面验证实验 . 46 5.1 机载激光雷达验证系统 . 46 5.2 地面验证试验 . 49 5.3 小结 . 60 6 总结与展望 . 61 6.1 研究总结 . 61 6.2 研究展望 . 61 参考文献 . 63 史成龙在攻读硕士学位期间发表的论文 . 67 史成龙个人简历 . 68 致谢 . 69 中国科学院大学上海光机所研究生毕业

23、论文 /2015 1 1 绪论 1.1 积分路径差分吸收（ IPDA）激光雷达概述 激光 Laser(Light amplification by stimulated emission of radiation)是 20 世纪人类最重要的发明之一，它的诞生与雷达有着非常密切的联系 。 20 世纪 自从 人类发明了雷达之后 ， 雷达技术就得到了迅速 的发展 ， 并得以广泛应用 ， 但由于雷达波长较长 ， 能量很小 ， 一般不足以与目标发生生化作用 ， 因而无法探测目标的生化特性 。 在传播过程中 ， 遇到尺寸小于波长的物体时 ， 容易发生衍射 ， 即绕过物体继续传播 。 所以人们一直在寻求波长

24、更短的光束 ， 于是就在微波振荡器的基础上 ， 发明了激光器 ， 进而发明了激光 。 激光束是唯一人造的纯粹光 (Pure Light)的相干性光束 ， 激光光束具有单一波长 、 极高的方向性 、 很高的辐射能量和相位的相干性 ， 在大气传输中很少发生绕射 ， 所以在军事、环境、工业、 医学和航空航天等很多领域得到了广泛的应用。 激光雷达 （ Lidar）又称为光雷达（ Optical radar）， 工作方式与微波雷达十分相似。近年来 ， 对有关激光雷达的研究越来越多 ， 使 得激光雷达的应用范围也越来越广。 激光雷达最基本的工作原理与普通雷达类似，即由发射系统发送一个信号，与目标作用产生的

25、返回信号被接收系统收集并处理，以获取所需要的信息。不同的是，激光雷达的发射信号为激光，与普通无线电雷达发送的无线电波乃至毫米波雷达发送的毫米波相比，波长要短得多。由物理光学可知，当电磁波在传播路径上遇到尺寸比波长小的物体时，将会发生衍射，即波的大部分能流绕过物体继续向前传播。 由于这一原因，普通无线电雷达无法探测小型目标，而激光的波长只有 微米 量级，足以探测微小粒子等目标。 激光雷达技术的不断发展与进步 ， 在军事 、 勘查 、 测绘等各方面都受到了广泛的重视和研究 。 另外，激光雷达 激光源可以实现单频 、 高功 输出 ， 一些波段 已经被作为一种有效的 、 高精度测量大气中 CO2 和

26、CH4 等气体浓度的方法。 激光雷达 ，根据光源和探测目标作用体制不同，获得目标的不同特性。 常用的探测原理有弹性散射（ 米氏散射、 瑞利散射）、 拉曼散射、 共振散射、吸收 和 共振荧光等。米氏散射的特点是散射粒子的尺寸与入射激光波长相近或比 入射激光波长更大，其微分散射截面最大，可达 10-810-7cm2, 分子 瑞利散射 截面10-27cm2； 拉曼散射截面 约为 10-30cm2。 正常情况下，大气中悬浮颗粒的数密度总是远小于大气主要成分的原子或分子数密度，因此，低浓度的尘埃或气溶胶可机载积分路径差分吸收（ IPDA）激光雷达测量大气 CO2 浓度研究 2 用米氏散射激光雷达来探测。

27、瑞利散射是原子或分子的弹性散射，其特征是散射粒子的尺寸比入射光的波长小，散射波长与入射波长相等， 散射系数与波长四次方成反比， 适用于中层大气成分 、温度等 的探测，利用波长较短的紫外 激光束激发可获得较大的激光雷达回波信号。拉曼散射作为非弹性散射 散 射过程产生了波长移动， 散射光子与入射光子能量 差由散射元特性决定，通常相应于散射分子一个振动量子数的变化，只要任何物质相对于某种参考物的微分散射截面之比已知，则其浓度可由相应拉曼信号之比获得，但效率很低。荧光是原子、分子在吸收入射光后再发射的光，当入射激光的波长与原子或分子内能级之间的能量差相等时，激光与分子的相互作用过程变为共振荧光。限制共

28、振荧光机制应用的一个因素是荧光淬灭效应，因此共振荧光激光雷达多用于对高层大气中原子、分子的 浓度及 组分探测。吸收是指当入射激光波长被调整到与原子的基态与某个激发态之间的能量 差相等时，该原子对入射激光产生明显吸 收的现象，属于吸收截面较大的一种机制，适用于探测低空大气的组分， 共振荧光与吸收可看成一个过程的两个方 面 。 与普通微波雷达相比，激光雷达由于使用的是激光束，工作频率较微波雷达高了许多，因此带来了很多特点，主要有： （ 1）分辨率高 激光雷达可以获得 目标 极高的角度、距离和速度分辨率。通常角分辨率不低于 0.1mrad，也就是说可以分辨 3km 距离上相距 0.3m 的两个目标（

29、这是微波雷达无论如何也办不到的），并可以同事跟踪多个目标；距离分辨率可达 0.1m；速度分辨率可达 1m/s。 （ 2）隐蔽性好、抗干扰能力强 激光方向性好、光束非常窄，只有在其传播路径上才能接收到，因此敌方截获困难，且激光雷达发射口径很小，可接收区域窄，有意发射的激光干扰信号进入接收机的概率低；另外，与微波雷达易受自然界广泛存在的电磁波影响的情况不同，自然界中能对激光雷达起干扰作用的信号源不多，因此激光雷达的抗干扰能力很强，适于工作在日益复杂和的信息 环境 战中。 （ 3）低空探测性能好 微波雷达由于存在各种地物回波的影响，低空存在有一定区域的盲区，而对于激光雷达来说，只有被照射的目标才会发

30、生反射，不存在地物回波的影响，因此可 以“零高度”工作，低空探测性能比微波雷达好。 （ 4）体积小，重量轻 通常普通微波雷达体积庞大，整套系统质量数以吨计，而激光雷达就要轻便、灵巧的多。 二氧化碳 (CO2)是影响全球温度的主要温室气体之一 , 随着全球工业化进程的不断加快 , 人类活动造成的大气中温室气体浓度的升高给全球的气候、生态、经济等各方面带来显著影响 , 受到世界各国政府、科学家和社会公众的普遍重 视123。 中国科学院大学上海光机所研究生毕业论文 /2015 3 政府间气候变化专门委员会 (IPCC)第四次科学评估报告指出 4， 自工业革命以来 ， 大气组成和地表性质发生的变化已经

31、改变了地气系统的能量收支平衡 ， 引起了全球气候变化。大气温室气体含量增加可能引起的全球变暖已成为目前最重要、影响最深远的全球环境问题之一。大气 CO2 是一种长寿命温室气 体 ， 其浓度增加首先将引起大气对射出红外辐射吸收的增加 ， 进而产生气候变化的辐射强迫。根据 IPCC 的报告 ， 1750 年以来大气 CO2 浓度增加产生的辐射强迫为 (1. 66 0. 17)W /m2， 约占所有长寿命温室气体产生辐射强迫的 63%。大气 CO2 作为产生温室效应最主要的温室气体 ， 所带来的全球变暖问题 ,正日益受到人们的关注。 确定大气 CO2 浓度的自然变化以及人为活动引起的变化 ， 对研究

32、大气 CO2气候效应是非常重要的 ， 同时高精度地测量大气 CO2 浓度对了解全球碳循环收支也是必需的。现阶段 , CO2 浓度资料主要依赖于分布 在世界不同地区的联合采样监测网进行的直接仪器观测。近年来 ,虽然取得了大量直接仪器观测的 CO2 浓度资料 ， 但由于观测的成本较高 ， 站点分布较少 ， 空间分辨率仍较低 ， 特别是广阔的海洋、极区、沙漠和人烟稀少的高原等地区的观测资料仍相当缺乏 ， 依然无法精确地评估大气与陆地生态系统以及大气与海洋间的碳交换量 ， 对大气 CO2的源汇分布及其时空变化的理解还存在重大的不确定 性 56。 卫星遥感是一种重要的监测大气参数和组成变化的探测手段。

33、King7和Kaplan8首先提出了在卫星上进行大气温度、湿度探测。随后 ， 1960 年美国发射了第一颗 TIROS-1 试验气象卫星。经过近半个世纪的发展 ， 以卫星为平台的空基遥感观测已经趋向深入和成熟。目前 ， 卫星遥感手段在测量大气温度、 O3 浓度和气溶胶光学特性等大气常变物理参数方面已经起了非常重要的作用 ， 获得了大量仪器直接测量无法获得的宝贵资料 ， 提高了短期天气预报和长期气候变化预测能力 9。空基遥感探测大气 CO2 浓度 ， 可以更好地获得其全球时空分布变化状况 ， 提高对大气 CO2 源汇分布和大气输送过程以及区域和全球碳循环的认识 ，增强预测未来大气 CO2 浓度的

34、能力 ,进而增加对未来全球气候变化研究和预测的可信度。 激光雷达作为一种高精度 遥感大气的 方法，已经被各国相继 展开研究。 激光雷达以激光器为辐射源，很好地利用了激光的高准直性、高单色性和高亮度性，所接收的信号可能 是反射信号，也可能是弹性散射（瑞利散射和米氏散射）信号，还可能是经吸收衰 减的信号，共振散射信号、荧光信号、拉曼 信号及差分吸收散射信号等，米氏散射多用于颗粒物的浓度检测，拉曼散射多用于近距离的高浓度污染源的检测。激光雷达在测量精度、分辨率和抗干扰等方面都是普通雷达所无法比拟的 10。 差分吸收激光雷达（ Differential Absorption Lidar）借助气体吸收光

35、谱特性，发射出两束波长 相近的激光，一束位于气体吸收峰，一束位于气体吸收谷作为参考光束，通过两波长回波信号比值变化，就可以获得被测气体的浓度 。 差分吸收激光雷达的优点是可实现 气体浓度 高精度测量。 积分路径差分吸收激光雷达（ IPDA）作为特殊的 差分吸收 方法， 激光雷达 通常接收硬目标或者云的回波信机载积分路径差分吸收（ IPDA）激光雷达测量大气 CO2 浓度研究 4 号，获得整个测量路径上平均的气体浓度。 1.2 机载 IPDA 激光雷达测量 CO2 浓度国内外研究 现状 目前国际上测量 大气 CO2 浓度 比较成熟的方法是 传统地基 单点 式 CO2 浓度测量 方式 。美国 Ma

36、una Loa 观测站自 1957 年开始对大气 CO2 浓度进行观测 ， 迄今为止 50 多年 的观测记录 ， 为大气 CO2 浓度持续增加提供了有力证据 11。 此后 ，主要发达国家凭借先进的技术设备和雄厚的经费投入 ， 在全球不同经纬度地区建立本底观测站并逐渐形成观测网 ， 如美国国家海洋与大气管理局地球系统研究实验室 (NOAA/ESRL) 、 澳 大 利 亚 联 邦 科 工 组 织 海 洋 与 大 气 研 究 中 心(CSIRO/CMAR)、加拿大气象局 (MSC)、日 本国立环境研究所 (NIES)等 ， 通过在不同地区开展在线观测或间歇式采样分析 , 为系统研究大气温室气体浓度动

37、态变化规律、源汇机制等做出了重要贡献。我国在温室气体本底观测方面的工作起步较晚 ， 20 世纪 80 年代之后在青海瓦里关、浙江临安、黑龙江龙凤山、甘肃民勤、青海五道梁及北京城区等地陆续开展了短期的温室气体浓度观测 ， 为我国温室气体研究积累了宝贵经验 121314151617。 由于传统地基 单点 式测量方法存在地域性限制等种种问题，研究机构目光聚焦在 卫星遥感测量全球大 气 CO2 浓度方法 上 。卫星遥感观测通过星上传感器观测获取大气 CO2 特有的光谱吸收特征反演得到大气 CO2 浓度 ， 其观测具有统一、连续和覆盖范围广的优势 ， 比较于地面观测可以全面地覆盖全球各种区域 。 目前，

38、国际上测量 CO2 浓度主要是 1.57m 和 和 2.0m 波段。 2010 年日本 NICT（ National Institute of Information and Communications Technology） 成功使用 Ho: Tm: YLF 激光器测量到 25km 范围内的大气 CO2 含量，并计划将该激光雷达用 于国际空间站 ( International Space Station) ，展开针对地球大气的探测研究 18。 该激光器激光波长为 2.05m ，脉冲能量为 80mJ，重复频率 30Hz， 脉宽 150ns， on-line 波长 2051.004 2051.

39、060nm， off-line 波长为 2051.250nm。 欧洲 CarbonSat 将把观测目标集中在点排放源的净排放监测19。 对于在轨运行的卫星中 ， 2009 年发射的温室气体观测卫星 GOSAT 最新发布的大气 CO2浓度数据经与地面和航空观测的验证 ， 其标准偏差在 37ppm左右 20。 美国 NASA(National Aeronautics and Space Administration) 和欧空局（ European Space Agency） 在 2008 年分别提出了星载 激光 雷达测量大气 CO2 浓度 卫星计 划，即 ASCENDS （ Active Sens

40、ing of CO2 Emissions over Nights, Days, and Seasons） 卫星 21和 A-SCOPE(Advanced Space Carbon and Climate Observation of Planet Earth)卫星 22，采用 积分路径的 差分吸收（ IPDA）激光雷达方法测量全球 CO2 浓度平均分布 ，优先选择 1.57m 波长。 A-SCOPE 计划使用 1.57m 的OPO 和 2.05m 的 Ho: YAG 激光器对大气 CO2 进行测量 。其中 , 1.57m 激光脉中国科学院大学上海光机所研究生毕业论文 /2015 5 冲能量为

41、50mJ,重复频率 50Hz,望远镜直径 1m。 2.05m 激光脉冲能量 55mJ，重复频率 50Hz，望远镜直径为 1.2m。 2014 年 7 月 2 日，美国 被动 CO2 测量卫星 OCO-2(Orbiting Carbon Observatory)发射 成功 23。 图 1.1 为 A-SCOPE 卫星工作原理图。 图 1.1 A-SCOPE 星载激光雷达 卫星 探测 CO2 浓度 示意图 机载差 分吸收激光雷达 为星载差分吸收激光雷达的缩比版， 同样 作为一种 重要的 星载验证 测量手段， 机载差分吸收激光雷达测量大气 CO2浓度的研究也很重要。 美国 NASA作为机载差分吸收激

42、光雷达研究先驱，已 分别 于 2006年 10月 、 2009年 8月和 2011年 8月 利用 Lear-25、 UC-12、 DC-8型号飞机分别在美 国国内陆地和水面进行过机载实验 24。其中 DC-8型号飞机搭载的激光器参数为： on-line波长为 1572.28nm， off-line波长为 1572.390nm，激光发射功率为 25J ，带通滤波器 为800pm FWHM，接收望远镜直径 20cm，采用波长调制脉冲直接探测 IPDA激光雷达进行测量。 实验结果 分析 表明， 飞机飞行高度大于 6Km时，测量的 CO2平均柱线浓度与地基站点测量的浓度偏差 1.4ppm25。 图 1

43、.2为 DC-8机载实验示意图。 ASCENS用另外一种强度调制光纤激光 雷达 方法也进行了机载测量 CO2实验26。 光纤激光器参数为 ： on-line波长为 1571.112nm， off-line波长为 1571.061nm，激光器发射功率为 5W，带通滤波器为 2.4nm。实验结果表明，机载激光雷达测量CO2浓度与地基站点测量浓度平均误差 0.65ppm。 机载积分路径差分吸收（ IPDA）激光雷达测量大气 CO2 浓度研究 6 图 1.2 NASA DC-8 机载 激光雷达 CO2 浓度测量 实验示意图 25 相较国外研究工作 的进展，国内 正在开展测量 CO2 浓度的积分路径差分

44、吸收激光雷达研究 。 上海光机所开展了 星载 IPDA 激光雷达测量 CO2 柱线浓度的研究， 采用双波长脉冲直接测量方法 2728。并且 开展了星载 雷达 系统 的建模仿真 和信息处理算法 ， 优化了激光雷达波长 ,进行了误差分析。并于 2014 年 研制了 机载 CO2 浓度测量 IPDA 激光雷达验证系统 ， 采用 1.57m 波段进行浓度测量， 目前正在试验验证阶段。 1.57m 和 2.0m 是测量 CO2 浓度的优选波段， 考虑水汽影响和温度灵敏度等因素 , 我们选用 1.57m 波段激光雷达测量 CO2 浓度。主要优势为 11:（ 1） 对温度误差不灵敏 ；（ 2） 几乎不受水汽带的干扰 ；（ 3） 对于高空至低对流层的柱线浓度测量有好的加权函数 ；（ 4） 激光器技术更为成熟 。 本文将研究基于 1.57m 波段的 IPDA 激光雷达系统 。 1.3 本论文主要内容 差分吸 收 （ DIAL） 激光雷达技术是一种应用前景广阔的技术，随着激光器技术 和相关 的发展， DIAL 的应用领域将更为广泛，测量精度也将有很大提升 。星载 IPDA 激光雷达作为一种高精度测量手段，对于全球 CO2 源和汇进行有效的监测。而机载 IPDA 激光雷达作为星载激光雷达 的地面缩比验证系统 ，同样有着重大研究价值。