本发明涉及大气激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于气溶胶扰动校正的差分吸收激光雷达CO2探测方法。
背景技术：
CO2作为温室气体的主要成分，被广泛认为对全球气候有重要的影响。而目前CO2的监测浓度，同各种模式反演得到的结果有较大的差异，这表明存在一些未知的碳汇机制。因此高精度的获取大气CO2浓度变化，进而进行区域性CO2源、汇的研究，从而应对日益增长的碳排放压力问题，具有重要意义。差分吸收激光雷达在探测大气CO2浓度方面具有其独有的优势，是观测其垂直廓线分布的理想探测设备。地基差分吸收激光雷达更能获取对流层内的高精度CO2浓度分布情况，而对流层内是人类活动和碳源、碳汇发生的主要区域，其探测结果更具有应用价值。
差分吸收激光雷达主要是发射两束波长稍有差别的激光束，一束激光被CO2分子强吸收，称为on波长激光；另一束激光被CO2分子弱吸收，称为off波长激光，通过测量随高度变化的大气CO2吸收的变化来反演CO2浓度分布。
经典的激光雷达方程为：
其中，P(r,λ)是波长为λ的激光束在高度r的回波信号强度；P0是发射激光强度； A是望远镜面积大小；η是激光雷达重叠因子；c是光速；β(r,λ)是气溶胶和大气分子的后向散射系数；α(r,λ)是气溶胶和大气分子的消光系数；Ng(r)是被探测气体在高度 r处的数密度；σ(λ)是被探测气体在高度r处的吸收截面积，是波长的敏感函数。
差分吸收激光雷达本质上是米氏散射机制，其特点是散射粒子的尺寸与入射激光相近或者比入射激光波长更大，米氏散射的散射光波长同入射光相同，是一种弹性散射。将激光雷达方程(1)中的λ换做λon和λoff，得到on波长和off波长的激光雷达方程，将二者的激光雷达方程相除，得如下形式：
其中，λon和λoff分别表示on波长和off波长；σg(λon)和σg(λoff)分别对应on波长和off波长的吸收截面积，其值可以从HITRAN数据库中直接获取。
一般认为，由于on波长和off波长非常相近，则从而得到高度r处厚度为Δr＝r2-r1的大气层中差分吸收激光雷达探测的CO2浓度方程：
公式(3)中，Ng(r)表示高度r处CO2浓度；r1为较低高度，r2为较高高度。由式(3)可见，被探测组分的密度与on波长和off波长的回波信号强度之比和吸收截面积之差有关。
目前来讲，实时的双波长激光雷达实时采集是可以实现的，常用的532nm和1064nm 米散射激光雷达，通过望远镜接收后向散射信号，通过镀膜的半反半透镜分光后可以分别采集。但对于CO2差分吸收激光雷达来讲，由于两波长十分相近，这种实时采集一般无法实现。目前国际、国内研究机构通用的CO2差分吸收激光雷达的工作波长主要集中在1.572μm附近，而由于探测器的问题，2.0μm的系统大多被搁置。以常用的波长组合为例，on波长为1572.018nm，off波长为1572.150nm，其只有0.132nm的波长差别，无法通过镀膜的半反半透镜或者滤光片来实现双波长的回波信号分离。
这意味着通常情况下CO2差分吸收激光雷达的信号采集是双波长交替的，必须通过时间差或者空间差来区分回波信号。一般情况下，通过on波长和off波长在时间上的交替切换来实现差分吸收探测。这样波长切换过程中气溶胶必然会产生变化，从而式(2) 中且α(r,λon)-α(r,λoff)≠0，则公式(3)无法成立。
技术实现要素：
本发明的目的是首次提供一种基于气溶胶扰动校正的差分吸收激光雷达CO2探测方法，以纠正气溶胶扰动对CO2浓度反演带来的影响。
本发明的主要思想如下：
差分吸收激光雷达中双波长交替发射，考虑气溶胶扰动的影响，将气溶胶的消光系数和后向散射系数引入差分吸收激光雷达CO2浓度反演模型；计算1064nm与1572nm 米散射激光雷达下气溶胶反演结果的线性相关性；利用1064nm米散射激光雷达下气溶胶探测结果对差分吸收激光雷达反演CO2浓度进行校正。
为达到上述目的，本发明提供的一种基于气溶胶扰动校正的差分吸收激光雷达CO2探测方法，包括：
步骤1，考虑气溶胶扰动对差分吸收激光雷达反演CO2浓度的影响，提出基于气溶胶扰动校正的CO2浓度反演模型：
其中：
Δr表示大气层厚度，Δr＝r2-r1，r1为较低高度，r2为较高高度，
为CO2在高度r处的浓度；
和分别为高度r处on波长和off波长下CO2气体的吸收截面积；
α(r,λon)和α(r,λoff)分别为高度r处采用on波长和off波长激光雷达时气溶胶的消光系数；
β(r1,λon)和β(r1,λoff)分别为高度r1处采用on波长和off波长激光雷达时气溶胶的后向散射系数；
β(r2,λon)和β(r2,λoff)分别为高度r2处采用on波长和off波长激光雷达时气溶胶的后向散射系数。
本发明CO2浓度反演模型一方面考虑了由气溶胶扰动带来的气溶胶的消光系数和后向散射系数的变化，从理论上纠正了气溶胶扰动对CO2浓度反演的影响。另一方面采用路径积分形式，考虑到CO2浓度反演路径内气溶胶吸收截面积的变化。
步骤2，进行1064nm波长的米散射激光雷达探测，获得米散射激光雷达在各高度的回波信号强度；将CO2探测差分吸收激光雷达发射波长固定为off波长进行探测，获得1572nm波长米散射激光雷达在各高度的回波信号强度；根据回波信号强度，利用 Fernald激光雷达反演法分别反演气溶胶的消光系数，经线性拟合得1064nm和1572nm 波长下消光系数的线性经验关系。
1064nm米散射激光雷达是较为通用、常见的激光雷达系统。将CO2探测差分吸收激光雷达的发射波长固定为off波长，使大气CO2对探测结果的影响最小。
步骤3，由于气溶胶的消光系数和后向散射系数的关系可由激光雷达比决定，因此，结合激光雷达比和步骤2反演的消光系数可获得1064nm和1572nm波长下各高度气溶胶的后向散射系数，经线性拟合得1064nm和1572nm波长下后向散射系数的线性经验关系。
步骤4，进行常规on和off双波长交替发射的差分吸收激光雷达CO2探测时，采用 1064nm波长的米散射激光雷达连续探测，利用Fernald激光雷达反演法反演1064nm波长下气溶胶的消光系数，并获得对应的后向散射系数；结合消光系数和后向散射系数的线性经验关系获得1572nm波长下气溶胶的消光系数和后向散射系数，并按时刻区分为 on波长或off波长下气溶胶的消光系数和后向散射系数。
on波长和off波长采用常用的波长组合，on波长为1572.018nm，off波长为 1572.150nm，其波长差别通常在0.2nm内，因此本发明认为on波长和off波长下同一高度气溶胶的消光系数和后向散射系数相等，所以本发明中on波长和off波长对应的消光系数和后向散射系数共用1572nm波长下的消光系数和后向散射系数。由于差分吸收激光雷达CO2探测是通过on波长和off波长在时间上交替切换实现，因此可通过1572nm 波长下的消光系数和后向散射系数对应时刻来将其区别为on波长还是off波长。
步骤5，将步骤4获得的on波长和off波长下气溶胶的消光系数和后向散射系数带入CO2浓度反演模型，可获得CO2浓度反演结果。
本发明具有以下优点和积极效果：
(1)在CO2浓度反演模型中考虑了气溶胶扰动带来的气溶胶的消光系数和后向散射系数的变化。
(2)在CO2浓度反演模型中考虑了CO2反演路径内气溶胶吸收截面积的变化。
(3)利用成熟的激光雷达系统，容易实现。
(4)本发明以同样为米氏散射为基础的1064nm激光雷达测得的气溶胶特性为参考，对CO2浓度反演模型进行气溶胶扰动校正，使得CO2浓度反演结果更为精确。
附图说明
图1是本发明方法的具体流程示意图。
具体实施方式
下面结合图1，对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
本发明首先明确了采用公式(1)所示的CO2浓度反演模型纠正CO2探测差分吸收激光雷达反演方法，以校正气溶胶变化对CO2浓度反演的影响。本发明的特点有：(1) 考虑了on波长和off波长交替发射过程中气溶胶的变化，在CO2浓度反演模型中，引入气溶胶的消光系数和后向散射系数；(2)考虑了反演路径中气溶胶消光系数以及吸收截面积的积分效应，引入积分方程。
其次，采用1064nm和1572nm波长的米散射激光雷达同时、同地观测，确保双波长的激光雷达覆盖同一片区域，以保证同时观测的双激光雷达信号具有一致性，观测时间5～10分钟即可。1572nm波长的米散射激光雷达的发射波长固定在off波长上，确保大气CO2对激光雷达信号的影响最小，获取最能反映当前大气状况的激光雷达信号。
由于双波长的激光雷达属于两套系统，必定有各自的发射系统、接收系统和采集系统，其回波信号在同一高度的信号强度、几何重叠因子(overlap)高度均不同，因此必须确定双波长激光雷达信号的相关性，具体方法如下：
(1)确定双波长激光雷达信号在不同高度的overlap高度，以overlap高度的最大值，作为计算相关系数的起始点，以3km的高度作为计算相关系数的终点。
(2)将双波长的激光雷达信号强度归一化。
(2)计算相关系数r：
其中，P1,i是归一化后的1064nm波长激光雷达信号强度，为P1,i的均值；P2,i为归一化后的1572nm波长激光雷达信号强度，为P2,i的均值；n为数据点数量。
若r≥0.96，则认为二者高度相关，可以用来进行计算双波长下气溶胶消光系数间的关系。反之，则当前大气状况下不满足纠正实验需求。
以武汉地区为例，气溶胶的消光系数与大于其波长尺寸的气溶胶粒子浓度高度相关，根据武汉地区的气溶胶粒子浓度观测结果，在短时间内不会发生较大的波动，因此，理论上认为，一整晚的激光雷达的观测内，1064nm波长和1572nm波长对应的消光系数具有高度相关性。
Fernald激光雷达法是由Fernald提出的反演气溶胶消光系数和后向散射系数的算法，不需要精确得到激光雷达定标常数。利用Fernald激光雷达反演法对1064nm和 1572nm波长的激光雷达结果分布进行反演，获取对应波长的气溶胶消光系数，并计算获得二者的线性经验关系。
由于消光系数和后向散射系数的比值为激光雷达比，且在较短高度内，认为激光雷达比为定值，根据经验公式，武汉地区532nm波长的激光雷达比为50，1572nm波长的激光雷达比为63。
最后，进行常规双波长交替发射的差分吸收激光雷达CO2探测时，进行1064nm波长的米散射激光雷达连续探测，利用Fernald激光雷达反演法反演1064nm波长对应的气溶胶消光系数。根据米氏散射理论，米散射激光雷达接收的回波信号，反映的是与发射波长相同或大于发射波长的大气气溶胶的情况。在不发生较大的大气变动或空气质量变化的情况下，根据消光系数和后向散射系数的线性经验关系获得1572nm波长对应的气溶胶的消光系数和后向散射系数。由于on波长和off波长的差别通常小于0.2nm，因此， on波长和off波长对应的消光系数和后向散射系数共用1572nm波长对应的消光系数和后向散射系数。1572nm波长对应的消光系数和后向散射系数代入CO2浓度反演模型，即可获取更为精确的差分吸收激光雷达CO2浓度反演结果。