激光外差光谱仪的水汽柱浓度反演研究

水汽是地球大气的重要组成部分,也是平衡地气系统辐射收支的一个重要因素,对天气和气候变化有着重要的影响。常用的水汽柱浓度测量设备,如无线电探空仪、激光雷达、微波辐射计、太阳光度计、DOAS仪器以及傅里叶变换红外光谱仪等,难以兼顾高分辨率以及便携机动等应用需求。为此,基于一种高灵敏度、高分辨率光谱探测技术,围绕水汽柱浓度的探测开展了相关研究,取得的主要成果有：(1) 基于激光外差光谱技术,利用窄线宽带间级联激光器作为本振光源,与太阳跟踪仪结合,建立了一套高分辨率激光外差太阳光谱测量装置,光谱分辨率达到了0.002 cm-1。(2) 采用Langley-plot方法对高分辨率激光外差太阳光谱测量装置进行了现场定标,并于云南紫金山天文台观测站开展了外场测量,获得了2 831~2 833 cm-1波段太阳光谱的直接测量数据。对实测的太阳光谱进行归一化处理后,获得了高分辨率的整层大气透过率谱。(3) 利用逐线积分辐射传输模式（line by line radiative transfer model,LBLRTM）计算了整层大气透过率谱,并与实测的透过率谱进行了非线性最小二乘拟合,实现了水汽柱浓度的反演。同时利用微波辐射计进行了水汽柱浓度的观测,将反演结果与实测结果进行了对比分析,两者的一致性相对较好,最小相对偏差为16.59%,最大相对偏差为21.69%。(4) 反演结果与实测结果的偏差主要由反演算法误差和装置测量误差所导致。反演算法误差包括辐射传输模式的计算误差、实际大气温度的测量误差、甲烷浓度不确定性引入的误差、HDO丰度与自然丰度的偏差,装置测量误差包括装置定标误差、波长标定误差、系统噪声影响、背景信号以及直流信号的微弱起伏引起的误差。(5) 文中选取的2 831~2 833 cm-1波段同时包含了水汽和甲烷的吸收,在反演水汽柱浓度的同时,同步进行了甲烷柱浓度的反演。以甲烷初始柱浓度作为参考值,发现反演后的甲烷柱浓度相对初始柱浓度的数值平均增加了14.41%。高分辨率激光外差太阳光谱测量装置结合反演算法是一种有效的整层大气透过率以及水汽、甲烷柱浓度探测的综合设备,在多组分气体浓度探测方面具有广泛的应用前景。     

基于高分辨率激光外差光谱反演大气CO_2柱浓度及系统测量误差评估方法

利用实验室研制的近红外激光外差光谱仪,开展了基于最优估计算法的温室气体柱浓度反演和系统测量误差的近似评估等相关工作.首先,通过光谱数据库、参考正向模型计算结果与傅里叶变换红外光谱技术探测结果筛选出了探测窗口,并以此为依据选择了相应的激光器和探测器;其次,建立了基于参考正向模型最优估计浓度反演算法,采用Levenberg-Marquardt (LM)迭代方法,实现了整层大气CO_2柱浓度及垂直分布廓线的反演,并开展了长期观测对比实验,验证了反演算法的可行性;最后,通过模拟所选探测窗口波段在不同白噪声条件下的正向大气透过率谱,获得了系统SNR与柱浓度测量误差之间的近似对应关系.该研究是探测系统不可或缺的理论计算部分,将有助于完善激光外差技术在大气探测中的应用.     

静止轨道卫星红外探测大气透过率与蒙气差分析

静止轨道卫星采用CO2和水汽吸收波段进行红外探测,探测性能受观测波段的大气透过率影响显著,同时,大气折射率随空间位置的变化影响目标的定位精度。通过建立大气中探测路径几何模型,利用FASCODE软件计算出路径上2.7μm和4.3μm波段大气透过率和蒙气差并制成图表,蒙气差计算结果与理论估算一致。结果表明,2.7μm波段大气透过率在5～25km高度变化显著,35km以上透过率达95%;4.3μm波段大气透过率在5～45km高度变化显著,50km以上透过率达95%。两个波段的蒙气差相同,对目标位置的影响较少,天顶角8°以内,影响只有50m量级,超过8°,偏差随角度增长很快,到地球圆盘边缘时达到1km。通过插值,透过率数据和蒙气差数据可用于系统设计、性能评估和实时仿真。     

1.31μm附近水汽分子的自加宽系数、氮气加宽系数的测量

采用窄线宽二极管激光器与1 km的怀特池相结合来提高光谱探测灵敏度,最小可探测谱线吸收强度为10-27cm-1/(molecule.cm-2)。根据记录的光谱数据精确计算出7599~7616 cm-1波段内水汽分子的谱线强度、自加宽系数和氮气加宽系数,实验结果与HITRAN96和HITRAN2004数据库进行了比较,存在一些差异。测量的谱线参量与HITRAN96相接近,与HITRAN2004相差较大,有7条HITRAN96中没有的新谱线被观测,有5条在HITRAN2004数据库中被证实,另外观测到2条谱线在HITRAN96中被列出,而在HITRAN2004没有给出。     

水汽分子对CO_2谱线加宽的影响

报道了以高分辨力连续可调谐中红外差频激光为探测光源,结合可调长光程怀特池,利用直接吸收的方法探测了CO2的10011←10002带R支以及部分P支在室温下的水汽加宽吸收光谱。在2422cm-1到2457cm-1范围内共有26条吸收谱线被探测到,采用Voigt线型对吸收谱线进行拟合,得到了CO2光谱的水汽加宽系数,结果显示CO2的水汽加宽系数平均比干燥空气的加宽系数大52%。利用实验测得的CO2的水汽加宽系数与HITRAN04数据库中CO2谱线的线位置、线强和干燥的空气加宽系数进行比较,分析了在实际大气中(海平面,10km光程)不存在水汽和存在水汽(含有2.0kPa水汽)时该波段CO2的大气透过率,结果表明潮湿空气与干燥空气之间的最大透过率差约为0.5‰。     

基于仪器线型订正的开放光程FTIR测量中的水汽谱在线扣除方法

水汽吸收分布于整个中红外波段,它的存在干扰红外光谱的定量分析。文章介绍了一种从傅里叶变换红外光谱仪的测量数据中扣除水汽干扰信号的新方法。该方法首先通过气象参数测量获得气压、温度和相对湿度,结合HITRAN数据库中提供的水汽线强、自展宽、空气展宽等参数,使用逐线积分方法计算出高分辨率水汽吸收谱,再通过仪器线型订正,合成出与仪器分辨率相匹配的水汽谱,将其作为干扰组分直接从测量所得到的含有水汽的混合光谱中扣除。对开放光程FTIR系统的实测数据的分析结果表明,使用该方法可以有效消除水汽干扰,扣除后的光谱包含待测组分的吸收特征和噪声。在开放光程FTIR等无法使用干燥设备去水的观测条件下,使用该方法可以达到较理想的水汽扣除效果。     

基于氧气A吸收带的baseline拟合距离反演算法

目标红外被动测距的实现同气体及其波段的选取密切相关。氧气A吸收带具有独特的谱线结构,对于火箭羽流或者高温辐射体的距离探测,氧气A吸收带是最佳的距离反演通道。利用该特点,详细研究了逐线积分算法(LBLRTM),并设计了氧气A带吸收系数及标准光谱计算软件;利用A吸收带吸收光谱带外数据,采用多项式拟合方法,实现基线(baseline)拟合,进而得到带平均透过率;在不同的距离条件下,将两种带平均透过率进行对比,误差在1.9%左右,拟合精度较高,该方法为后续距离的精确反演提供了理论依据。     

基于激光外差技术的高分辨率整层大气透过率测量

激光外差技术是一种高灵敏度的光谱探测技术,利用该技术研制的装置易于集成化小型化,可以进行地基或星载的地球大气或天文观测。基于激光外差光谱测量技术,结合自研的太阳跟踪仪建立了一套高分辨率整层大气透过率测量系统,系统分辨率约为0.006 cm-1。该系统利用太阳光和红外激光在非线性探测器中进行光学混频,通过对获取的混频信号进行电子学滤波和平方率探测,获得了高光谱分辨率的外差信号。采用Langley-plot定标法对测量系统进行定标,获取了仪器标定常数和对应的大气总光学厚度,实现了中红外波段整层大气透过率的实时测量。同时,将实测整层大气透过率与MODTRAN5.0软件仿真计算的结果进行对比分析,两者的一致性较好。分析表明该测量系统具有很高的分辨率并且性能稳定可靠,在大气科学、天文观测和激光大气传输等研究领域具有广阔的应用前景。     

基于三维射线追踪和HITRAN数据库的透过率仿真计算

星光掩星技术中,利用三维射线追踪方法模拟从地面到110 km高度红外辐射在大气中传输的路线。其中,设置频率为3.95×10~(14) Hz,地球形状为椭球状,模型为中性大气,且已知在地固系中目标恒星的三维位置坐标和低轨卫星轨道数据。再利用HITRAN数据库中高分辨率的氧分子吸收线参数,包括吸收线强度、低能态能量等,以天狼星的红外光谱作为原始的接收光谱,即去除地球大气的吸收散射等的作用,光谱能量随着波长的增大而降低,计算接收光谱在近红外氧气分子吸收A带(755～774 nm)的透过率。考虑到仪器小型化,选择氧气的特征吸收谱线760和762 nm,计算两谱线位置的大气透过率随高度的变化,并通过透过率计算接收光谱的信噪比,进行仪器设计的指导。另外,由于大气折射作用,必须将所得透过率进行折射修正。通过仿真计算可知:利用近红外波段755～774 nm,计算了80, 100和110 km三个高度的大气透过率,其随高度的逐渐增高而趋近于1。相比0.2 nm光谱分辨率, 0.1 nm分辨率条件下大气透过率的变化范围更大,为0.28～1,在110 km透过率为0.987,且探测的精确度可小一位。折射引起的透过率在60 km以上等于1,因此60 km以上可以忽略大气折射对大气透过率的影响,无需进行折射修正。利用760和762 nm的特征吸收线,得到光强度信噪比均大于100,且当分辨率为0.1 nm时,光强度信噪比的值更小,说明氧气对光谱的吸收作用更强。两种分辨率条件下所得相邻两高度的光子数变化量差别不大且大于1。最后,根据以上结果,可确定望远镜、 CCD、光谱分辨率、积分时间等参数,用以研究和测试星光掩星的反演算法,形成探测氧气从地面到110 km高度数密度变化的小型化仪器,也可预先分析探测误差等。     

基于FTIR光谱辐射测量分析大气透过率

提出了一种利用FTIR光谱仪进行大气透过率测量的方法。通过黑体对系统的光谱响应进行标定,由两点温度校准得到测量光谱的辐射亮度谱。在一定的距离内实测并分析计算出了CO2红外吸收波段的大气透过率谱。采用非线性最小二乘方法将测量的CO2透过率谱与HITRAN数据库中的光谱拟合得到了干洁大气中的CO2浓度值。实验结果表明,该方法是测量大气透过率和定量分析气体组分的可行性方法。