1.315μm附近CO2的高分辨率吸收光谱

利用可调谐激光长程吸收光谱测量系统,记录到1.315μm附近高气压（80kPa和40kPa）CO2的高分辨率吸收光谱,拟合分析获得谱线参数,结果与HITRAN 2k的数据基本一致。用程差法测量了绝对吸收,氧碘激光频率(7 603.138 5cm-1)的总吸收截面为(0.23~0.29)×-24cm2。仅计算谱线吸收的吸收截面为0.18×10-24cm2。在1.315μm波段COCO2存在连续吸收,吸收截面为(0.05~0.11)×10-24cm2。还讨论了测量误差问题。     

植物叶绿素荧光对CO2反演精度的影响

大气散射效应作为CO₂反演的主要误差源,严重影响了大气CO₂卫星测量的反演精度。氧气在大气中含量稳定,大气CO₂反演方法中常利用氧气的这一特性进行散射校正,其中典型的有光子概率密度函数(PPDF)方法。然而,O₂ A吸收带的光辐射中存在的植物叶绿素荧光会在不同程度上影响PPDF因子的反演,进而限制了CO₂反演精度。由于植被荧光信号较弱,在以往CO₂反演中没有引起足够重视。在调研全球植被荧光分布的基础上,模拟分析了荧光对大气CO₂柱含量(XCO₂)的影响。模拟计算无气溶胶条件下,以及气溶胶和地表反照率两者综合条件下荧光的影响,结果显示,当不考虑气溶胶的影响,荧光强度从0.1增加到1.8(mW·m-2·sr-1·nm-1),会给CO₂的反演结果造成0.1~2 (10-6)的偏差;考虑气溶胶与地表反射率的影响时,会给CO₂的反演结果造成(0.1~3)×10-6的偏差。此研究表明,对于具有高精度需求的CO₂反演,植物叶绿素荧光是一个不可忽略的影响因素。     

基于虚像相位阵列光谱仪的宽带高分辨率CO2吸收光谱测量技术研究

为了使光谱仪能同时兼顾宽吸收光谱范围和高光谱分辨率两种特性,搭建了一台近红外虚像相位阵列光谱仪,单帧谱宽约为25 nm(140 cm^-1),光谱分辨率为4.5 pm(0.024 cm^-1),结合改进的旋转光栅结构,实现了1.26～1.50μm的宽光谱检测。使用超连续光源及光学吸收多通池,在1.43～1.45μm处,以CO₂为例开展了宽带高分辨光谱测量技术研究,使用图像增强算法提高了弱吸收的光谱提取精度,考虑光谱仪的仪器展宽进而提升了气体参数反演准确度。实测光谱与理论光谱的对比结果验证了系统测量的准确性与可靠性。     

地基CO2廓线探测差分吸收激光雷达

研制了一台利用气溶胶散射信号的CO₂廓线探测差分吸收激光雷达. 系统利用染料激光器实现波长调制, 采用双光路气体吸收池, 结合Voigt拟合方法实现了脉冲红外激光的高精度定标. 针对输出激光带宽较宽的问题, 采取仿真实验评估了影响, 并设计了基于吸收池的订正因子获取方案. 进而, 开展了水平、垂直和连续观测实验, 通过与地面CO₂分析仪测量值的对比, 证明了系统具备优越的精密性和精确性. 实验表明, 该样机能够俘获CO₂浓度随高程和时间变化而产生的变化.     

1.315μm附近CO2的高分辨率吸收光谱

 利用可调谐激光长程吸收光谱测量系统，记录到1.315μm附近高气压（80kPa和40kPa）CO₂的高分辨率吸收光谱，拟合分析获得谱线参数，结果与HITRAN 2k的数据基本一致。用程差法测量了绝对吸收，氧碘激光频率(7 603.138 5cm^-1)的总吸收截面为(0.23~0.29)×^-24cm²。仅计算谱线吸收的吸收截面为0.18×10^-24cm²。在1.315μm波段COCO₂存在连续吸收，吸收截面为(0.05~0.11)×10^-24cm²。还讨论了测量误差问题。     

差分吸收大气CO2激光雷达的大气压力增宽修正算法

CO2作为温室气体主要成分对全球气候有重要的影响。现有的被动观测设备都只能获得单点上空的CO2浓度值,而差分吸收激光雷达在探测CO2方面具有巨大优势,可以获得较高的时空分辨率。然而,在利用差分吸收激光雷达探测CO2浓度时,其中的压力增宽有不可忽视的重要影响。基于此着重对压力增宽进行分析,提出新的修正算法,新方法同经典算法相比较,减小了反演过程中的误差。实验中分别对一例仿真信号和实测信号进行反演,最终获得了CO2浓度垂直廓线分布较为理想的结果,验证了新修正算法的可行性。     

星载近红外高光谱CO2遥感进展

在应用需求的拉动和高光谱技术发展的驱动下,利用被动式星载近红外高分辨率光谱仪探测大气CO₂分子柱含量已成为一个相当活跃的研究领域。本文介绍了卫星遥感CO₂在科学和社会发展方面的基本需求,分析了被动遥感CO₂的优势和不足;对国际上最新的以美国OCO-2(2014年7月发射)和日本GOSAT(2009年1月发射)为代表的专项CO₂遥感任务进行了综述,包括仪器指标、观测模式和定标模式等方面;着重对OCO-2定标精度需求和多种在轨定标方式进行了阐述;从应用和数据处理角度,简要比较了光栅和傅里叶干涉探测技术探测CO₂的主要特点;最后对定量反演原理进行了概述,并对这一领域的未来发展进行了展望。     

光反馈对CO2激光器不稳定性的影响

利用光反馈研究了光场横向分布对CO₂激光器不稳定性的影响。实验上观测到光反馈引起激光脉动频率漂移和混沌运转等现象。讨论了光场横向分布产生激光非稳性的机制。 关键词：     

基于O2-O2吸收的非相干宽带腔增强吸收光谱浓度反演方法研究

针对传统非相干宽带腔增强吸收光谱浓度反演方法的定量结果易受镜片反射率标定误差的影响问题, 提出了一种基于测量大气O₂-O₂吸收的浓度反演方法. 该方法是将非相干宽带腔增强吸收光谱技术的光学增强腔等效成吸收光程不随波长变化的多次反射池, 首先根据测得的宽带腔增强大气吸收谱和参考谱计算出光学厚度, 并应用差分光学吸收光谱算法拟合修正后的气体吸收截面到光学厚度, 反演得到大气中O₂-O₂以及被测气体的柱浓度, 然后根据O₂-O₂在大气中的含量已知且相对稳定这一特性, 确定出等效多次反射池的吸收光程, 最后从被测气体的柱浓度中扣除吸收光程信息得到被测气体的浓度值. 以监测大气中NO₂实验为例, 应用该方法在454-487 nm波段反演得到了大气NO₂的浓度(1-30 ppbv范围内), 并将反演结果与传统浓度反演方法的结果进行了对比, 发现两者的不一致性在7%以内. 实验结果表明, 非相干宽带腔增强吸收光谱技术可以利用大气O₂-O₂的吸收来定量其他被测气体的浓度, 而且定量结果对镜片反射率的标定误差不敏感.     

CO_2反演中大气散射影响的光程校正方法

CO2作为影响气候变化最重要的温室气体,其反演精度达到1%是气候研究的基本要求。在反演中解决大气散射的影响,是提高CO2反演精度的关键问题之一。温室气体观测卫星为了实现高光谱分辨率,其光谱带宽通常较窄。高光谱分辨率对CO2浓度变化敏感,而窄带宽在采用传统差分吸收光谱(DOAS)法以快慢变分离的方式处理散射时难以保证反演精度。针对我国高光谱卫星CO2反演算法的开发需求,从光程的角度研究了散射对CO2反演的影响,并与传统DOAS方法在沙漠和草地两种区域进行了对比。结果显示相对于传统DOAS方法,该方法在沙漠和草地区域的应用均使CO2的反演精度得到提高,达到或接近1%的精度需求,反演结果的相关性和数据离散度也得到改善,这表明该方法能有效降低大气散射对CO2反演的影响。     

高光谱地基CO_2太阳辐射计的定标

介绍了一种用于大气CO2太阳吸收光谱地基观测的高光谱太阳辐射计,包括仪器的设计结果及相对光谱辐射亮度的测量原理。以可调谐红外激光器加积分球作为定标光源,详细介绍了波长、仪器线型函数的定标过程和方法。定标结果表明,在仪器有效工作波段(1560~1575nm)内,光谱分辨能力为0.097nm,杂散光水平在0.5%左右。定性比较了仪器的大气CO2太阳吸收光谱测量结果与LBLRTN软件的理论计算结果,两者在吸收峰的强度、位置、形状等方面都具有较好的吻合度。     

基于地对空观测光谱的大气CO2柱浓度反演分析

基于地对空高光谱观测获取大气CO₂柱浓度(大气中CO₂的垂直总含量)数据是验证和改进卫星高光谱观测反演CO₂浓度的重要数据源之一,而目前在中国还没有基于地面光谱观测进行大气CO₂柱浓度反演研究的报告。利用光谱分析仪与太阳跟踪仪等构成的地面观测系统在中国内蒙古锡林郭勒草原进行了地对空高光谱观测,基于高光谱观测数据反演了大气CO₂柱浓度。在基于1.6 μm大气CO₂的光谱吸收特征进行CO₂浓度反演过程中,评价分析了观测光谱的波长漂移和气象参数对大气CO₂柱浓度反演精度的影响。结果显示观测期间平均大气CO₂柱浓度为390.9 μg·mL-1。波长的漂移将会导致反演浓度值整体偏低;波长漂移从-0.012～0.042 nm范围时,将会导致1 μg·mL-1以上的偏差。同时,研究发现光谱透过率在6 357～6 358,6 360～6 361和6 363～6 364 cm-1谱段敏感于气象参数的变化。对比利用与光谱观测同时和非同时观测的气象参数进行的浓度反演结果发现,非同时观测气象参数的利用引起的浓度偏差最小在0.11 μg·mL-1,最大可达4 μg·mL-1;本论文的分析结果对基于光谱反演CO₂柱浓度算法的改进有着一定的参考价值。     

利用短波红外进行地基CO_2反演的影响因子分析

地基CO2反演的精度决定了对CO2源和汇的认识程度,然而关于地基CO2反演影响因子的研究甚少。基于正演辐射传输模式,分析了气溶胶、光谱偏移、波段选取及光谱响应函数(类型、半宽和截断误差)对地基CO2反演的影响,旨在提高地基CO2反演的精度。结果表明:(1)当镜头视场角小于1.5°,且气溶胶光学厚度(λ=1.6μm)小于0.5时,气溶胶多次散射的贡献可以完全忽略;(2)光谱的偏移会造成反演结果偏小,反演误差随光谱偏移量非线性增大,且光谱的分辨率越高,光谱偏移的影响越大;(3)不同波段的平均信噪比不同,选择信噪比适中的通道和增强仪器信噪比可以减小噪声对地基CO2反演的影响;(4)光谱分辨率越高,模拟光谱对仪器光谱响应函数的准确度要求越高,高光谱观测时,必须保持环境温度的恒定才能获取高精度的反演结果;(5)光谱分辨率过高时,模拟光谱因串扰作用而失真,提高光谱仪分辨率的同时必须考虑串扰作用的影响。     

空气对C60薄膜拉曼谱的影响

采用拉曼光谱方法和光学二次谐波方法，观察蒸镀在石英玻璃上的Ｃ６０薄膜在空气中的变化，根据实验中观察的Ｃ６０薄膜１４６９ｃｍ＾－１拉曼谱的演变情况，结合二次谐波的测量结果，初步推断Ｃ６０分子发生了聚合反应和氧化反应。     

提高大气吸收光谱测量分辨率的新方法

在仪器函数和吸收线型已知的情况下 ,提出了一种非线性拟合退卷积法 ,用于提高气体吸收测量的光谱分辨率。数值模拟和实际应用都表明 :该方法用于室内气体吸收光谱的测量 ,在保持吸收线型不变的情况下 ,可以显著地提高测量的光谱分辨率 ,降低测量噪声。将该方法用于怀特池中模拟大气吸收光谱测量 ,减小了激光线宽对测量结果的影响 ,获得了比较理想的结果。     

被动多轴差分吸收光谱技术监测大气NO_2垂直廓线研究

痕量气体垂直廓线的监测,对大气污染研究具有重要意义。介绍了被动多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)技术监测痕量气体垂直廓线的光学遥感方法。研究中MAX-DOAS测量多个角度的斜柱浓度、结合大气辐射传输模型,利用最优估算法反演出痕量气体垂直廓线,并对最优估算法参数选取和反演评估进行了详细描述。将该技术应用于合肥地区NO2垂直廓线的监测:通过与长光程差分吸收光谱仪的测量结果对比,相关系数达到0.80。该技术为大气环境立体监测提供了一种简便的方法。     

高分辨率傅里叶变换红外光谱反演环境大气中CO_2浓度的质量优化方法

高质量的CO_2反演结果有助于准确认知其源汇信息、预测未来气候变化趋势及提升全球碳循环的理解。基于非线性最小二乘光谱拟合技术,研究地基高分辨率傅里叶变换红外光谱反演环境大气中CO_2浓度的反演产品质量优化方法。借助O_2窗口的反演结果,将CO_2柱浓度转化为柱平均干空气摩尔分数(column-averaged dry air mole fraction,XCO_2),能有效修正系统共有误差;采用一种经验修正模型,能有效修正与大气质量因子相关的虚假日变化;通过建立一定的红外光谱筛选法则,能有效控制XCO_2反演产品质量。以一天的典型观测结果为例,对产品质量优化前后的反演结果进行了对比,优化后反演误差减小了60%,以正午为中心两边各取一小时计算了XCO_2的反演精度,为0.071%(相当于0.28ppm),符合TCCON(total carbon column observing network)规定的0.1%精度范围。     

红外高光谱资料AIRS反演晴空条件下大气氧化亚氮廓线

N₂O是一种非常重要的温室气体和臭氧损耗物。由于观测资料有限,对于N₂O在这两方面所发挥的作用定量描述还存在很多的不确定性。利用热红外卫星数据AIRS可以反演监测甲烷和二氧化碳气体,但对氧化亚氮的反演还很少见到。因此该工作首次在国内针对高光谱红外卫星资料AIRS,开展利用最优估计法反演大气N₂O廓线的模拟研究。讨论了先验廓线的获取方法及反演通道的选取方法,并将反演结果和HIPPO飞机观测数据进行比较,发现AIRS观测数据可以很好的捕获N₂O的垂直分布,在300～900 hPa,与HIPPO数据趋势一致,且反演精度较高,相对误差仅为0.1%,与所选取反演通道的jacobian峰值区间一致。反演结果相比于特征向量统计法也有显著提高。     

中低分辨率光谱的恒星Mg元素丰度估计方法研究

主要研究了一种新的基于ELM算法的中低分辨光谱的恒星Mg元素丰度估计方法。大科学工程郭守敬望远镜（LAMOST）为我们提供了海量的中低分辨率的光谱,确定这些光谱的Mg元素丰度将有助于我们深入了解银河系的形成历史和演化过程。目前从中低分辨率光谱中确定Mg元素丰度的方法主要是模板匹配法,但该方法算法复杂,优化参数较为困难且对噪声敏感,因此有必要研究新的方法。实验结果显示,ELM算法对MILES光谱的Mg丰度的估计的精度为0.009 9（0.15）dex,而对信噪比大于50的LAMOST光谱的精度为0.002 7（0.11）dex。通过与其他算法进行对比,证实ELM算法是一种能精确估计中低分辨率光谱的Mg元素丰度的算法,能够应用于LAMOST后期的光谱数据中。     

激光长程吸收光谱法测量高分辨率大气吸收光谱

用脉冲可调谐光参量振荡器作光源 ,使用光程长达 1km的 8m长吸收池 ,采用分时复用的单探测器探测方法 ,组成测量系统 ,测量了一系列高分辨率的模拟和实际大气的吸收光谱。系统的灵敏度为 0 .5× 10 - 6cm- 1 ,分辨率为 0 .0 2cm- 1 。 1.315 μm附近实际大气的吸收光谱与HITRAN96模拟结果比较 ,强线符合得很好。水汽光谱的大多数强线的分子线强度相对误差在 10 %以下。