1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
3 中国科学院大学，北京 100049
针对快速、高分辨获取CO2排放量并有效识别CO2排放源分布的需求，集成了近红外差分吸收光谱遥测系统，研究了反演CO2浓度信息的近红外差分光学吸收光谱算法，并结合通量算法估算了典型排放源的排放通量。分别选取电厂和合肥市科学岛为观测点，开展了对典型点排放源和复杂背景下面排放源的CO2浓度分布研究，分析了参考光谱的选择对于结果反演的影响，选择背景光谱为参考谱，获取了CO2柱浓度信息，柱浓度反演误差可达到0.79%，并利用双三次插值算法得到了高空间分辨的CO2柱浓度二维浓度分布结果，结合浓度分布结果和观测参数计算了电厂CO2的排放通量为1925 kg，其中测量距离估算误差为主要误差源。初步开展了对合肥市边界层CO2浓度分布的研究，获得了合肥市大气边界层郊区、电厂区和城市区的CO2浓度分布特点，该研究对下一步开展城市温室气体排放的评估具有重要意义，为城市碳排放遥测提供了一种可靠的技术和方法。
光谱学 近红外差分吸收光谱 光学遥测 二氧化碳浓度分布 排放通量 光学学报
2023, 43(24): 2430004
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004
2 广西光电信息处理重点实验室，广西 桂林 541004
二氧化碳（CO2）是造成温室效应的气体之一，其浓度的空间分布对气候预测和人类生产、生活的影响不可忽视，实现CO2浓度的准确反演有利于掌控全球CO2时空分布。但是在近红外波段，地表反射率的不确定对CO2浓度反演存在影响。引入比值法对卫星对地辐射光谱进行处理，验证吸收波段辐亮度比值与CO2浓度之间存在某种关系，该关系反演CO2浓度具有可行性。以MODTRAN4仿真的辐亮度光谱为数据源，选取4个特征吸收峰的光谱辐亮度比值与CO2浓度进行分析。结果显示，光谱辐亮度比值与CO2浓度存在近似线性关系，而且在6310 cm-1处的线性关系更为明显，误差仅有1.15%。然后通过设置不同的大气模式和气溶胶模式，进一步对辐亮度比值与浓度之比进行剖析，结果表明，在0.1~0.9反射率区间，两者呈高度相关，相关系数高达0.98，平均误差不超过2%。最后对实测数据进行相同处理，与仿真数据进行了对比。在4个波段的拟合中，6334 cm-1处拟合效果最好，线性关系达到了0.99，从另一方面说明了光谱辐亮度比值与CO2浓度存在线性关系，这种关系可以很好地应用于CO2浓度的反演，近似消除地表反射率影响。
激光与光电子学进展
2022, 59(1): 0101001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
利用基于近地轨道(LEO)卫星组网的红外激光掩星(LIO)技术,可对地球大气温室气体垂直廓线进行主动探测,为全球温室气体浓度廓线的测量提供新手段。介绍了基于LIO技术的大气温室气体浓度廓线的测量原理,针对最主要的温室气体CO2建立了LIO信号链路模型,通过仿真分析了工作波数对CO2探测精度的影响,并基于误差最小的仿真结果对CO2探测波数进行优化选择。采用所选波数对LIO技术的探测性能进行分析,最终得到可用于CO2浓度廓线探测的波数为4771.6215 cm
-1和4772.0240 cm
-1。在5~35 km高度的有效探测范围内,实现了0.6~1.4 km的垂直分辨率,CO2浓度探测的相对随机误差小于0.8%,最小相对随机误差(0.229%)出现在10 km处。研究结果为星载LIO大气探测系统原理样机的设计提供了重要参考。
遥感 红外激光掩星 主动探测 二氧化碳浓度廓线 性能仿真
中国海洋大学海洋遥感研究所, 山东 青岛 266003
星载主动式差分吸收是目前较为精准监测全球二氧化碳的方法。大气中气压、温度、湿度、地表反射率及硬件系统中线宽、滤波器带宽等对反演误差都有影响, 其中地表反射率对反演误差有着不可忽视的影响。实验结果表明光斑足迹越小、间隔距离越大、地貌越复杂,反演误差就会越大。在光斑直径为100 m、距离间隔为10 m时, 6种地貌的绝对误差在0.0215×10－6～0.2134×10－6,控制在1×10－6之内,这对实际硬件参数设计有一定参考意义。
激光雷达 二氧化碳浓度误差 地表反射率 差分吸收 光斑足迹 laser carbon dioxide concentration error ground reflectance differential absorption laser footprint
1 中国科学院上海光学精密机械研究所 中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
差分吸收激光雷达是高精度测量大范围二氧化碳浓度的有效手段。研究了机载路径积分差分吸收激光雷达测量二氧化碳柱线浓度的主要误差项, 分析了这些误差项导致的二氧化碳柱线浓度反演误差。介绍了机载差分吸收激光雷达基本工作原理, 并理论分析了大气温度、压强和水汽不确定性误差, 激光频率稳定性和飞机姿态速度测量不确定性等系统误差, 以及不同地表反射率产生的随机误差。分析结果表明: 在二氧化碳浓度380 ppm(1 ppm=10-6)时, 机载激光雷达二氧化碳柱线浓度综合测量误差约为0.71 ppm, 满足1 ppm的二氧化碳柱线浓度高精度测量需求。
二氧化碳浓度 路径积分差分吸收 机载激光雷达 误差 CO2 concentration integrated path differential absorption (IPDA) airborne lidar error 红外与激光工程
2016, 45(5): 0530001
1 江苏师范大学物理与电子工程学院, 江苏 徐州 221116
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
通过具有高灵敏度、 非侵入式等特性的可调谐二极管激光吸收光谱技术对发动机气缸工作过程等高温高压燃烧环境进行实时在线检测, 是了解其内部燃烧过程进而研发高效发动机的重要手段之一。 作为一种重要的温室气体和化石燃料燃烧的主要产物, 二氧化碳对于了解燃烧过程具有重要的意义。 为了寻找一种能够对高温高压燃烧过程中的二氧化碳浓度进行快速检测的方法, 利用工作在室温条件下的近红外可调谐二极管激光器作为光源, 以二氧化碳位于5 006.140 cm-1处的跃迁作为传感谱线, 结合固定波长的吸收光谱调制技术, 通过该CO2谱线的一次谐波归一化的二次谐波信号峰值实现对高温高压环境中CO2浓度测量, 建立了一种可用于高温高压环境下的组份浓度的测量方法, 通过实验验证得出该方法在5 atm压力、 500 K温度下和10 atm压力、 1 000 K温度下对于CO2浓度测量的平均标准偏差为3.99%; 另外还对实验中所得CO2直接吸收及二次谐波信号进行了分析, 得到了其吸收光谱在高温高压环境下的特性。
可调谐二极管激光吸收光谱 波长调制光谱 高温高压 二氧化碳浓度 Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS Wavelength modulation spectroscopy High temperature and pressure CO2 concentration 光谱学与光谱分析
2014, 34(7): 1769
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 滨州学院物理与电子科学系, 理论物理研究所, 山东 滨州 256603
3 教育部光学仪器与系统工程研究中心, 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高分辨率、 高灵敏度和快速测量等特点, 是气体探测中的主流技术。 使用多模二极管激光器作为光源, 将多模二极管激光吸收光谱技术与关联光谱技术相结合有助于提高测试可靠性和稳定性, 同时还可有效解决单模二极管激光器长时间工作时中心波长随外界温度或机械特性的变化而发生偏移的问题。 以1 570 nm多模二极管激光器为光源, 利用多模二极管激光关联光谱和波长调制的气体测量技术(TMDL-COSPEC-WMS), 通过计算待测气体和参考池气体之间二次谐波信号峰值高度之间的关系, 实现了对二氧化碳浓度的测量。 实验中二氧化碳浓度测量范围在0.6%～30%之间, 计算结果表明, 二氧化碳浓度与真实浓度值之间具有良好的线性关系, 其线性度为0.998 7, 线性拟合的斜率为1.061±0.016 8。 对二氧化碳与氮气混合气体的连续测量结果表明, 系统的探测极限达到335 ppm·m, 对同一样品在20 min内的20次连续测量的标准偏差为0.036 7%, 表明了系统良好的稳定性, 所有测量结果都显示了系统用于二氧化碳气体监测的有效性。
可调谐多模二极管激光器 关联光谱 波长调制光谱 二氧化碳浓度 Tunable multi-mode diode laser Correlation spectroscopy Wavelength modulation spectroscopy Carbon dioxide concentrations 光谱学与光谱分析
2013, 33(12): 3269
中国科学院环境光学与技术重点实验室, 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学中心, 安徽 合肥230031
可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高分辨率、 高灵敏度以及响应时间快等优点。 以室温下工作的近红外可调谐半导体激光器为光源, 通过波长调制方法对1 578 nm附近CO2气体吸收线的二次谐波信号测量, 结合双开放光路技术, 实现对不同高度层面700多米长光程范围内CO2气体浓度的快速在线检测。 结合大口径闪烁仪测量的莫宁-奥布霍夫长度和特征速度, 通过经验公式计算得到CO2气体的通量在－60～60 mg·m-2·s-1范围内波动。 实验数据与涡动相关比较表明, 两者数据整体变化趋势一致, 该方法可以获得较理想的结果。 突破了目前对近地面痕量气体通量的监测只能提供局地结果的现象, 使大面积范围内痕量气体通量的测量成为可能。
可调谐半导体激光吸收光谱 二氧化碳浓度 二氧化碳通量 Tunable diode laser absorption spectroscopy Carbon dioxide concentration Flux of the carbon dioxide gas
中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学中心, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥230031
含碳温室气体浓度增加所加剧的温室效应是气候变化的重要原因, 大面积范围内二氧化碳气体通量的测量对于评价各类陆地生态系统对大气中主要温室气体浓度的贡献具有重要的意义。 可调谐半导体激光吸收(TDLAS)光谱技术具有高分辨率、 高灵敏度以及快速响应等特点, 是痕量气体高灵敏快速监测的新方法。 文章以可调谐分布反馈半导体激光器作为光源, 通过波长调制方法对1.573 μm附近二氧化碳气体某一吸收线的二次谐波信号测量, 结合激光分束技术, 实现对不同高度层面700多米光程范围内二氧化碳气体浓度的快速在线检测。 结合大口径闪烁仪测量出来的莫宁-奥布霍夫长度和特征速度, 通过公式计算得到一天内二氧化碳气体的通量在-1.5～2.5 mg·(m2·s)-1范围内的波动, 突破了目前对近地面痕量气体通量的监测只能提供局地结果的状况, 使大面积范围内痕量气体通量的测量成为可能。
可调谐半导体激光吸收光谱 二氧化碳浓度 二氧化碳通量 Tunable diode laser absorption spectroscopy Carbon dioxide concentration Flux of the carbon dioxide gas
