一种星载差分吸收激光雷达CO2廓线探测最优波段确定方法与流程

本发明涉及一种星载差分吸收激光雷达co2廓线探测最优波段确定方法，属于卫星有效载荷总体技术领域。

背景技术：

最优波段的确定是用于co2廓线探测的星载差分吸收激光雷达设计的关键，其直接影响激光器和探测器等载荷核心部分的选择和设计，以及co2廓线的反演精度。目前基于差分吸收激光雷达的co2廓线探测以地基为主，廓线探测范围集中在近地表几公里范围内，大气对激光雷达信号的衰减较小，因此所采用的强吸收波段主要集中在光谱吸收峰处。星载差分吸收激光雷达回波信号受大气衰减作用较强，采用上述波段方案不利于得到高精度的co2廓线信息。此外，当前正在研制的星载差分吸收激光雷达主要是针对co2的垂直柱浓度探测设计的，不适用于co2廓线探测，尤其是co2分布较为集中的大气边界层廓线的探测。因此，需要发展一套方法确定最优波段，用于星载差分吸收激光雷达co2廓线高精度探测。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星载差分吸收激光雷达co2廓线探测最优波段确定方法，充分考虑co2廓线探测，尤其是co2分布较为集中的大气边界层廓线探测的特点，用于星载差分吸收激光雷达co2廓线高精度探测。

本发明的技术解决方案是：一种星载差分吸收激光雷达co2廓线探测最优波段确定方法，包括如下步骤：

步骤1，给定用于星载差分吸收激光雷达co2廓线探测的波段选择范围，进行等间隔划分，提取分割点，生成波段数据集；

步骤2，基于hitran光谱数据库，计算步骤1得到的波段数据集中不同波段co2和h2o的大气光学厚度；

步骤3，根据步骤2的不同波段co2和h2o的大气光学厚度确定用于co2廓线探测的星载差分吸收激光雷达的off波段；

步骤4，根据步骤3中得到的off波段，确定用于co2廓线探测的星载差分吸收激光雷达的on波段选择范围；

步骤5，将on波段选择范围进行等间隔划分，并提取分割点，生成波段数据集，将分割点生成的数据集中吸收截面小于off最优波段的波段进行剔除，作为on最优波段选择的最终数据集；

步骤6，将最终的on波段数据集中不同波段co2光学厚度进行升序排序；

步骤7，计算最终的on波段数据集中每个波段近地表以下权重函数的积分与地表至大气层顶权重函数积分的比值，并将比值计算结果进行升序排序；所述近地表为距离地表5km处；

步骤8，基于标准温压模型、hitran提供的co2浓度廓线和co2、h2o在不同温度、压强下的吸收截面信息，给定廓线垂直分辨率，计算最终的on波段数据集中不同波段在给定温度、压强和水汽的误差值时分别对应的近地表co2浓度反演误差，并进行降序排序；

步骤9，计算最终的on波段数据集中不同波段受水汽、温度和压强共同影响下总的co2浓度反演误差，并进行降序排序；

步骤10，计算最终的on波段数据集中不同波段co2浓度反演的随机误差，并进行降序排序；

步骤11，将步骤6～10中不同波段的排序结果进行加权平均，加权平均结果最大值对应的波段则为最优on波段。

进一步地，步骤3中，co2廓线探测的星载差分吸收激光雷达的弱吸收波段确定具体包括如下步骤：

(1)将步骤1中生成的波段数据集作为off波段筛选数据集；

(2)将off波段数据集中不同波段的co2光学厚度进行降序排序；

(3)将off波段数据集中不同波段的co2和h2o的光学厚度之和进行降序排序；

(4)计算off波段数据集中不同波段的h2o和co2光学厚度的比值，并进行降序排序；

(5)将(2)、(3)和(4)中不同波段的排序结果进行加权平均，加权平均结果最大值对应的波段则为最优off波段。

进一步地，所述co2和h2o的大气光学厚度为

其中，是co2或h2o的光学厚度，top是大气层顶的高度，是co2或h2o在高度h处的分子密度，是co2或h2o在高度h处的吸收截面。

进一步地，所述步骤6中，比值为

其中，h0、hpbl和htop分别是高程为0、边界层顶和大气层顶处的高程，wf(h)为权重函数。

进一步地，所述权重函数为

wf(h)＝(σon(h)-σoff(h))ndry(h)

其中，σon(h)和σoff(h)是高度h处on和off波段的吸收截面，ndry(h)是高度h处干空气数密度，具体为：

其中，p(h)和t(h)分别代表高度h处的压强和温度，nwv(h)代表高度h处的水分子密度，k为玻尔兹曼常数。

进一步地，所述步骤8中的反演误差为

其中，n为边界层顶高度与廓线垂直分辨率的比值，x代表给定的温度、压强或水汽的误差，代表由温度、压强或水汽误差引起的高度kδh处co2浓度的反演误差。

进一步地，co2浓度反演为：

其中，σon(r)和σoff(r)分别代表在高度r处的on和off波段的吸收截面，pon(r)和pon(r+δh)分别代表在高度r和r+δh处on波段的回波信号，poff(r)和poff(r+δh)分别代表在高度r和r+δh处off波段的回波信号。

进一步地，回波信号按如下方法计算：

其中，η是整个系统效率，c是光速，e0是脉冲发射能量，d是接收望远镜口径，r是探测距离，β(r,λ)是后向散射系数，α(r,λ)是大气消光系数。

进一步地，所述步骤9中的反演误差为：

其中，δt、δp和δh2o分别代表给定的温度、压强和h2o的误差。

进一步地，所述步骤10中的随机误差为：

其中，τ是单程co2差分吸收光学厚度，snron和snroff为on和off信噪比，n为脉冲个数。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提供的星载差分吸收激光雷达co2廓线探测最优波段确定方法，解决了目前基于差分吸收激光雷达的co2廓线探测以地基为主，所采用的强吸收波段主要集中在co2的光谱吸收峰处，用于星载co2廓线探测时信号衰减强，不适用于co2廓线高精度反演的问题，实现了星载差分吸收激光雷达co2廓线探测最优波段的确定。该方法可拓展性强，不仅有助于得到星载差分吸收激光雷达co2廓线探测最优波段，而且还可用于确定其他温室气体(例如ch4)廓线探测的最优差分吸收波段。

附图说明

图1是本发明中星载差分吸收激光雷达co2廓线探测最优波段确定的流程图。

图2是本发明中星载差分吸收激光雷达co2廓线探测最优弱吸收(off)波段确定的流程图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种星载差分吸收激光雷达co2廓线探测最优波段确定方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1所示)：

在本申请实施例所提供的方案中，具体包括如下步骤：

步骤1：给定用于星载差分吸收激光雷达co2廓线探测的波段选择范围为4875cm^-1至4876cm^-1，以0.0002cm^-1为间隔，进行等间隔划分，提取分割点，生成波段数据集；

步骤2：基于hitran光谱数据库，计算步骤1生成的波段数据集中不同波段co2和h2o大气光学厚度，具体计算公式如下：

其中，是co2或h2o的光学厚度，top是大气层顶的高度，是co2或h2o在高度h处的分子密度，是co2或h2o在高度h处的吸收截面。

步骤3：根据步骤2的计算结果，确定用于co2廓线探测的星载差分吸收激光雷达的off波段，具体步骤如下(如图2所示)：

(1)将步骤1中生成的数据集作为off波段筛选数据集；

(2)将off波段数据集中不同波段的co2光学厚度进行降序排序；

(3)将off波段数据集中不同波段的co2和h2o的光学厚度之和进行降序排序；

(4)计算off波段数据集中不同波段的h2o和co2光学厚度的比值，并进行降序排序；

(5)将(2)、(3)和(4)中不同波段的排序结果进行加权平均，加权平均结果最大值对应的波段则为最优off波段。

步骤4：根据步骤3中得到的off波段和4876cm^-1，作为用于co2廓线探测星载差分吸收激光雷达的on波段选择上下限；

步骤5：将on波段选择范围以0.0002cm^-1为间隔，进行等间隔划分，并提取分割点，生成波段数据集，用于on波段的筛选和确定；

步骤6，将on波段数据集中不同波段co2光学厚度进行升序排序；

步骤7：on波段数据集中每个波段近地表(5km)以下权重函数的积分与地表至大气层顶(400km)权重函数积分的比值，并将比值计算结果进行升序排序，计算公式如下：

其中，h0、hpbl和htop分别是高程为0、边界层顶和大气层顶处的高程，wf(h)为权重函数，计算公式为：

wf(h)＝(σon(h)-σoff(h))ndry(h)(公式3)

其中，σon(h)和σoff(h)是高度h处on和off波段的吸收截面，ndry(h)是高度h处干空气数密度，计算公式如下：

其中，p(h)和t(h)分别代表高度h处的压强和温度，nwv(h)代表高度h处的水分子密度，k为玻尔兹曼常数。

步骤8：基于标准温压模型、hitran提供的co2浓度廓线和co2、h2o在不同温度、压强下的吸收截面信息，给定廓线垂直分辨率，计算on波段数据集中不同波段在给定温度(δt＝1k)、压强(δp＝1％)和水汽()误差值时分别对应的近地表co2浓度反演误差，并进行降序排序，误差计算公式如下：

其中，n为边界层顶高度与廓线垂直分辨率的比值，x代表给定的温度、压强或水汽的误差，代表由温度、压强或水汽误差引起的高度kδh处co2浓度的反演误差，co2浓度的反演公式如下：

其中，σon(r)和σoff(r)分别代表在高度r处的on和off波段的吸收截面，pon(r)和pon(r+δh)分别代表在高度r和r+δh处on波段的回波信号，poff(r)和poff(r+δh)分别代表在高度r和r+δh处off波段的回波信号，回波信号的计算公式如下：

其中，η是整个系统效率，c是光速，e0是脉冲发射能量，d是接收望远镜口径，r是探测距离，β(r,λ)是后向散射系数，α(r,λ)是大气消光系数。

步骤9：计算on波段数据集中不同波段受水汽、温度和压强共同影响下总的co2浓度反演误差，并进行降序排序，计算公式如下：

其中，δt、δp和δh2o分别代表给定的温度、压强和h2o的误差。

步骤10：计算on波段数据集中不同波段co2浓度反演的随机误差，并进行降序排序，计算公式如下：

其中，τ是单程co2差分吸收光学厚度，snron和snroff为on和off信噪比，n为脉冲个数。

步骤10：将步骤6、7、8、9和10中不同波段的排序结果进行加权平均，加权平均结果最大值对应的波段则为最优on波段。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。