IPDA激光雷达系统参数分析

IPDALidar系统参数分析目录激光器参数优化分析3背景介绍12后续工作4IPDAlidar工作原理背景介绍二氧化碳(CO2)是地球大气中最重要的温室气体成分之一，在全球气候变化当中扮演重要的角色。目前，CO2主要排放源为人类工业生产活动，作为汇的地球海洋、陆地植被约吸收了人类排放量的一半左右，这些汇限制了CO2在大气中的持续累积速率。观测表明，CO2浓度已经从20世纪50年代约310ppm升到目前约400ppm，平均年增长率约2ppm。IPCC评估报告指出，60%的温室气体辐射强迫由CO2引起，CO2浓度的这种快速增长引起了人们对于全球变暖、极端气候的担忧。美、欧等发达国家提出利用市场机制，增加碳关税方式限制CO2排放，解决全球气候变化问题。因此，监测大气CO2浓度变化不仅是气候变化问题，也是社会发展问题。背景介绍在全球范围内高精度地监测CO2浓度，获取可靠的观测数据，成为研究这一问题的首要方面。地面观测方式具有精度高、时间分辨率高、可靠性高的优点，但是受站点位置限制，空间分辨率不高，而且南北两极以及海洋、沙漠等地区缺少观测站点。因此，需要发展星载CO2遥感技术，以提供高精度、高空间分辨率的全球CO2观测，这些观测数据应该对大气低层(对流层甚至边界层)CO2具有较高的敏感性。在对全球大气CO2浓度进行测量时,卫星有效载荷一般采用被动太阳光谱吸收技术或主动激光差分吸收光谱技术。其中,被动差分吸收光谱技术需要利用太阳光,不能实现全天时测量。另外,其测量精度受大气气溶胶和云的干扰很大。而主动激光差分吸收光谱技术则能够满足全天时测量要求,而且不受气溶胶的影响。该技术在薄云条件下仍然有效,并具有高测量精度,因而是实现全球高分辨率、全天时CO2浓度测量的最佳手段。为了提高测量精度,国外发达国家在用被动光谱技术测量全球大气CO2浓度的基础上,均已启动了相关的星载激光雷达研究计划。大气CO2浓度测量方法包括距离分辨差分吸收法和积分路径差分吸收法。其中,距离分辨差分吸收法可以获得CO2浓度剖面,但是由于大气中CO2含量少,剖面测量需要很长的积分时间,因此并不合适星载平台，而积分路径差分吸收法则可以在卫星平台上获得高精度和高水平分辨率的CO2柱线浓度。目录激光器参数优化分析3背景介绍12后续工作4IPDAlidar工作原理IPDAlidar工作原理激光雷达系统发射出两束窄线宽波长相近的激光,其波长分别位于吸收谱线的峰值(on-line)和谷底处(off-line)。通过测量这两束发射激光的功率以及地面回波信号的功率,然后结合吸收光谱数据便可计算出测量路径上的柱线浓度。IPDAlidar工作原理目前全球CO2浓度测量主要是在1.57μm和2.05μm两个波段上进行的。考虑水汽影响和温度灵敏度等因素,1.57μm和2.05μm是测量大气CO2柱线浓度的优选波段。与2.05μm波段相比,1.57μm波段具有以下优势:对温度误差不灵敏;几乎不受水汽带的干扰;对于高空至低对流层的柱线浓度测量有好的加权函数;激光器技术更为成熟。目录激光器参数优化分析3背景介绍12后续工作4IPDAlidar工作原理激光器参数分析—激光频率稳定性

从CO2的吸收光谱图中可以看出,不同频率所对应的吸收截面差别很大,激光器输出频率的不稳定会带来柱线浓度的测量误差。由激光频率稳定性所引起的测量误差可以用光谱斜率来评估：由于off-line处的光谱斜率很小,较为平坦,而且off-line处的光学厚度很小,所以off-line处由频率不稳定带来的误差很小,可以忽略不计。但是on-line处的光谱斜率较大,频率不稳定会带来很大的误差。越靠近吸收光谱的频率中心,由频率稳定性带来的误差越大。激光器的频率稳定性越差,所产生的误差也越大激光器参数分析—激光光谱纯度激光光谱不纯主要是由激光器自发辐射出其他频率的光而引起的。系统需要的光谱纯度可由下式进行估算：式中，Pspec为光谱纯度；Δσ/σ为可容忍的最大相对横截面误差；ODmax为最大光学厚度。如果假设理想单程光学厚度约为1.1,吸收截面误差为0.02%,那么光谱纯度需要达到99.997%。在接收光路中使用窄带滤波器可以阻挡特定光谱之外的大量背景辐射,这样便可放宽对光谱纯度的要求。如果选择1GHz的滤波器,那么光谱纯度需要达到99.9%；而如果选择6GHz的滤波器,那么光谱纯度就要高达99.97%。激光器参数分析—激光带宽激光器发出的光不可能是单色光。在其中心频率周围的其他频率的光也会因大气CO2和其他气体吸收而引起回波功率变化,从而影响浓度测量，有效吸收截面可定义为：式中，L(ν-ν0)为激光的光谱能量分布；ν0为中心频率。激光的线型可用下式表示：式中，ζr和ζf分别为上升时间和下降时间。激光器参数分析—激光带宽通过上面分析，激光带宽可以表示为：分别在吸收中心处和偏移一个洛仑兹半宽处改变激光带宽的数值，然后计算吸收截面，其对浓度测量引起的误差如图。

在偏离吸收