含碳气体探测系统、方法、设备及计算机可读存储介质

1.本发明涉及大气中含碳气体探测领域，尤其涉及一种含碳气体探测系统、方法、设备及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.碳循环是地球上最重要的物理系统之一，它对大气中温室气体水平增加和全球变暖的响应是塑造未来气候的因素之一。在过去的200年里，人类通过燃烧化石燃料、砍伐森林以及工业生产水泥、石灰和氨，向大气中添加了相对较少但却相当可观的碳，扰乱了这一自然循环。因此，监测大气中的含碳气体可以有效评估大气含碳气体排放以及减排效果，落实碳达峰和碳中和这一重大战略部署。近年来，对含碳气体的监测主要依靠星载近红外高光谱分析仪、地基傅里叶红外光谱仪、地基遥测遥感红外光谱仪等，通过红外波段观测含碳气体。然而近红外区域气体的反演极易受到气溶胶存在的影响，因此仅通过近红外高光谱分析仪对含碳气体进行反演，其反演结果的准确度较低。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供一种含碳气体探测系统、方法、设备及计算机可读存储介质，旨在解决含碳气体的反演结果准确度较低的技术问题。
4.为实现上述目的，本发明提供一种含碳气体探测含碳气体探测系统，所述含碳气体探测系统包括数据采集模块、气溶胶模块和数据处理模块；
5.所述数据采集模块包括望远镜和近红外光谱仪，所述望远镜与所述近红外光谱仪连接；所述望远镜用于汇聚太阳光，并将所述太阳光传输至所述近红外光谱仪，所述近红外光谱仪用于将所述太阳光进行分光并汇聚在探测器上，并获得所述太阳光对应的实测光谱；
6.所述气溶胶模块用于同步测量多个波段的气溶胶光学参数；
7.所述数据处理模块分别与所述数据采集模块和所述气溶胶模块连接，所述数据处理模块用于将所述气溶胶光学参数和所述实测光谱输入预设辐射传输模型，通过所述辐射传输模型模拟气体归一化柱权重函数和太阳归一化模拟光谱，根据所述气体归一化柱权重函数和所述太阳归一化模拟光谱反演目标含碳气体的垂直柱浓度。
8.可选地，所述数据采集模块还包括太阳跟踪器、长通滤光片和光纤，所述太阳跟踪器用于自动跟踪太阳，所述望远镜固定在所述太阳追踪器的支撑架上，所述望远镜的前端安装长通滤光片，所述长通滤光片通过o形环密封在所述望远镜的本体上，所述长通滤光片的后端安装有凸透镜；所述长通滤光片用于对太阳光进行过滤；所述凸透镜用于将过滤后的太阳光聚焦在光纤的端头处，所述光纤用于将太阳光传输至所述近红外光谱仪。
9.可选地，所述数据采集模块还包括传输线，所述传输线用于将所述实测光谱输入至数据存储控制模块。
10.可选地，所述含碳气体探测系统还包括辅助测量模块；
11.所述辅助测量模块包括温湿压传感器、雨滴传感器和摄像头；所述温湿压传感器及所述雨滴传感器固定在所述太阳追踪器的支撑架上，所述摄像头与所述望远镜平行放置；
12.所述温湿压传感器用于记录温湿压，所述雨滴传感器用于检测是否降雨，所述摄像头用于记录观测期间的天气状况。
13.可选地，所述含碳气体探测系统还包括数据存储控制模块；
14.所述数据存储控制模块包括控制器；所述控制器用于存储所述实测光谱和所述气溶胶光学参数；
15.所述控制器还用于控制所述数据采集模块和所述气溶胶模块自动工作。
16.此外，本发明还提供一种含碳气体探测方法，所述含碳气体探测方法包括：
17.获取观测的几何参数、大气标准廓线和气溶胶光学参数；
18.将所述几何参数、所述大气标准廓线和所述气溶胶光学参数输入至预设辐射传输模型进行模拟，得到气体归一化柱权重函数和太阳归一化模拟光谱；
19.根据所述气体归一化柱权重函数和太阳归一化模拟光谱反演目标含碳气体的垂直柱浓度。
20.可选地，所述根据所述气体归一化柱权重函数和太阳归一化模拟光谱反演目标含碳气体的垂直柱浓度的步骤包括：
21.获取实测光谱；
22.根据气体归一化柱权重函数拟合所述实测光谱和所述太阳归一化模拟光谱，迭代出目标模拟光谱；
23.根据所述目标模拟光谱计算目标含碳气体的垂直廓线标定因子，根据所述垂直廓线标定因子反演出目标含碳气体的垂直柱浓度。
24.可选地，所述通过气体归一化柱权重函数拟合所述实测光谱和所述太阳归一化模拟光谱，迭代出目标模拟光谱的步骤之前包括：
25.对所述实测光谱进行低通滤波，去除所述实测光谱中的宽带吸收和噪声。
26.此外，为实现上述目的，本发明还提供一种含碳气体探测设备，所述含碳气体探测设备包括存储器、处理器、以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的含碳气体探测程序，所述含碳气体探测程序被处理器执行时实现如上述的含碳气体探测方法的步骤。
27.此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有含碳气体探测程序，所述含碳气体探测程序被处理器执行时实现如上述的含碳气体探测方法的步骤。
28.本发明提供一种含碳气体探测系统、方法、设备及计算机可读存储介质，首先获取观测的几何参数、大气标准廓线和气溶胶光学参数，将几何参数、大气标准廓线和气溶胶光学参数输入至预设辐射传输模型进行模拟，得到气体归一化柱权重函数和太阳归一化模拟光谱，根据气体归一化柱权重函数和太阳归一化模拟光谱反演目标含碳气体的垂直柱浓度，相比于仅依靠星载近红外高光谱分析仪，通过红外波段观测含碳气体，本发明在检测含碳气体的垂直柱浓度的同时，测量大气气溶胶光学参数，提升含碳气体反演结果的精确度，本发明考虑到气溶胶光学参数的影响，提高了反演结果的准确度。
附图说明
29.图1为本发明含碳气体探测系统的第一结构示意图；
30.图2为本发明实施例方案涉及的含碳气体探测系统的第二结构示意图；
31.图3为本发明实施例方案涉及的各模块的结构示意图；
32.图4为本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的设备的结构示意图；
33.图5为本发明含碳气体探测方法第一实施例的流程示意图；
34.图6中本发明含碳气体探测方法涉及的数据反演流程图；
35.图7为co2观测结果图。
36.附图标号说明：
[0037][0038]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0039]
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0040]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0042]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0043]
近年来，含碳气体的监测是一个具有挑战性的观测问题，以二氧化碳为例，由于二氧化碳寿命长，因此它在大气中混合良好，二氧化碳的柱浓度在地表只有一半的可变性，其日波动很少超过1ppmv，需要非常高精度的测量。而针对二氧化碳、一氧化碳、甲烷等含碳气体的监测主要依靠地基或星载近红外高光谱分析仪。这些含碳气体在近红外有特征吸收，并且近红外对温度和水蒸汽的敏感性较低。因此，通常使用近红外波段观测含碳气体。然而
近红外区域气体的反演极易受到气溶胶存在的影响，尤其是基于我国目前大气复合污染的特点，各类气溶胶浓度较高。已有研究表明，气溶胶对二氧化碳，一氧化碳，甲烷的反演结果影响可高达10％。而目前即使考虑到气溶胶的影响，采用的地基近红外高光谱分析仪通常使用固有模型中固定的气溶胶光学参数，这和实际的气溶胶光学参数相差甚远。由气溶胶引起的反演误差极大的限制了近红外高光谱分析仪对二氧化碳，一氧化碳，甲烷等含碳气体的探测精度。
[0044]
本发明提出一种含碳气体探测系统，在本发明含碳气体探测系统第一实施例中，参照图1，含碳气体探测系统004包括数据采集模块001、气溶胶模块003和数据处理模块002，数据采集模块001包括望远镜2和近红外光谱仪9，具体可参照图2，望远镜2与近红外光谱仪9通过光纤8连接，望远镜2用于汇聚太阳光，并将太阳光传输至近红外光谱仪9，近红外光谱仪9用于将太阳光进行分光并汇聚在探测器上，并获得太阳光对应的实测光谱；本实施例中，通过望远镜2汇聚直射的太阳光，望远镜2和近红外光谱仪9通过光纤8连接，太阳光可通过光纤8传输到近红外光谱仪9，太阳光经过近红外光谱仪9分光后汇聚在探测器上，经a/d转化后得到太阳光对应的实测光谱，该太阳光对应的实测光谱为太阳光被大气中的近红外气体吸收后的太阳光对应的实测光谱数据，太阳光在穿过大气层时会被近红外气体吸收，望远镜2接收被吸收后的太阳光，将该太阳光传输至近红外光谱仪9，近红外光谱仪9将太阳光进行分光及转换处理，得到实测光谱，实测光谱可以是按照波段分布的光强数据。由于近红外光谱仪9的进光光强需要达到一定强度，才可有足够的信噪比进行分光，在本实施例中采用望远镜2接收直射的太阳光，相比于采用散射式接收太阳光，本实施例采用直射式接收太阳光的进光强度足够大，曝光时间短，能够快速达到近红外光谱仪9的曝光要求，有效缩短了近红外光谱仪9的仪器积分时间，对于不同气体的探测可对应选择不同型号的近红外光谱仪9，通过简单的插拔方式即可更换不同的近红外光谱仪9。
[0045]
进一步地，由于气溶胶可以散射光，也可以吸收光。气溶胶散射可以缩短光子路径长度，从而导致对目标气体柱浓度的低估，或者，如果地面反照率高，可以增加光子路径长度，从而导致对目标气体柱浓度的高估。本实施例中含碳气体探测系统004包括气溶胶模块003，参照图2及图3，气溶胶模块003可以采用太阳光度计11，太阳光度计11用于自动瞄准太阳，测量太阳和天空在可见光和近红外的不同波段、不同方向、不同时间的辐射亮度，根据辐射亮度推算大气气溶胶成分的特性，大气气溶胶成分的特性即气溶胶光学参数。通过太阳光度计11同步测量多个波段的气溶胶光学参数，其中，波段例如340，380，440，500，675，870，936，1020，1640nm，本实施例中气溶胶光学参数包括气溶胶光学厚度、气溶胶不对称因子和单次散照率等其他影响目标含碳气体的反演结果的参数。气溶胶光学参数与实测光谱同步测量，本实施例中将太阳光度计11测量得到的气溶胶光学参数作为先验信息输入至预设辐射传输模型中，本实施例中考虑到气溶胶对含碳气体测量结果的影响，增加气溶胶模块003，在获取实测光谱的同时，同步测量大气中的气溶胶光学参数，将实际测量的气溶胶光学参数输入预设辐射传输模型，提高了预设辐射传输模型模拟气体归一化柱权重函数和太阳归一化模拟光谱的准确度，从而提高了含碳气体探测系统的整体探测精度。
[0046]
进一步地，含碳气体探测系统004还包括数据处理模块002，数据处理模块002分别与数据采集模块001和气溶胶模块003连接，数据处理模块002用于将气溶胶光学参数和实测光谱输入预设辐射传输模型，通过辐射传输模型模拟气体归一化柱权重函数和太阳归一
化模拟光谱，根据气体归一化柱权重函数和太阳归一化模拟光谱反演目标含碳气体的垂直柱浓度，目标含碳气体为例如二氧化碳、一氧化碳和甲烷等含碳气体中的任一种。
[0047]
在本实施例中，含碳气体探测系统的结构简单，通过简单的结构即可实现对二氧化碳，一氧化碳，甲烷等含碳气体的垂直柱浓度的高精度探测，提供了高精度的直射式近红外高分辨率光谱系统。且本实施例增加了气溶胶模块003，随近红外高分辨率光谱系统协同观测，同步测量大气气溶胶光学参数，将太阳光度计11测量的气溶胶光学参数代入到反演的模型中，提升二氧化碳，一氧化碳，甲烷等含碳气体的垂直柱浓度反演精度。
[0048]
进一步地，基于本发明含碳气体探测系统第一实施例，提出含碳气体探测系统第二实施例，在本实施例中，参照图2及图3，数据采集模块001还可以包括太阳跟踪器5、长通滤光片1、光纤8和传输线10，望远镜2固定在太阳追踪器5的支撑架上，望远镜2的前端安装长通滤光片1，本实施例中长通滤光片1可通过o形环密封在望远镜2的本体上，长通滤光片1的后端安装有凸透镜，该凸透镜用于将过滤后的太阳光聚焦在光纤8的端头处，本实施例中的太阳跟踪器5可以采用便携式的太阳跟踪器5，用于自动跟踪太阳，且望远镜2固定在太阳追踪器的支撑架上，使得望远镜2跟随太阳追踪器自动对准太阳，以可实时地接收直射的太阳光，在本实施例中还可以在望远镜2的前端安装长通滤光片1，且长通滤光片1通过o形环密封在望远镜2的本体上，可防止漏水或细小灰尘进入，同时长通滤光片1的后端安装有凸透镜，长通滤光片1用于对太阳光进行过滤；凸透镜用于将过滤后的太阳光聚焦在光纤8的端头处，光纤8用于将太阳光传输至近红外光谱仪9。本实施例中在太阳光进入望远镜2之前，通过望远镜2前端的长通滤光片1对太阳光进行过滤，如过滤掉除近红外光之外的如可见光和紫外光等，具体实施时可根据实际需求进行过滤，进而通过长通滤光片1后端的凸透镜将过滤后的太阳光聚焦在光纤8的端头处，使得过滤后的太阳光通过光纤8传输至近红外光谱仪9。其中，太阳追踪器、望远镜2、太阳光度计11置于室外，数据采集模块001还包括传输线10，传输线10用于将实测光谱数据输入至数据存储控制模块006，太阳跟踪器5自动追踪太阳，太阳光直射进入望远镜2，近红外光谱仪9工作在叠加曝光模式，曝光时间根据太阳光强的不同自动调整(通常为几秒钟)，保证测得的光谱光强有足够高的信噪比。
[0049]
本实施例中，含碳气体探测系统的结构简单，且通过太阳追踪器与望远镜2之间的连接关系，使得望远镜2跟随太阳追踪器自动追踪太阳，实时地获取直射的太阳光，从而极大的缩短了仪器的积分时间，时间分辨率高。
[0050]
进一步地，基于本发明含碳气体探测系统第一实施例和第二实施例，提出含碳气体探测系统第三实施例。
[0051]
在本实施例中，参照图2及图3，含碳气体探测系统004还可以包括辅助测量模块005，辅助测量模块005包括温湿压传感器和雨滴传感器4和摄像头3，可参照图2，温湿压传感器和雨滴传感器4固定在太阳追踪器5的支撑架上，摄像头3与望远镜2平行放置，可保证摄像头3与望远镜2之间的视场相同，温湿压传感器用于记录温湿压，雨滴传感器用于检测是否降雨，摄像头3用于记录观测期间的天气状况，该天气状况包括多云、雾霾、沙尘、晴天等天气状况，将摄像头3拍摄得到的图片、温湿压传感器记录的温湿压信息，以及雨滴传感器检测的降雨信息存储至控制器中，便于后续去除反演结果中天气干扰大的数据，具体地，通过上述信息自动判断是否停止测量，如根据图片、温湿压信息和降雨信息判断当前的天气状况是否为预设标准天气状况，若当前的天气状况不为预设标准天气状况，则自动停止
测量，预设标准天气状况为除多云、雾霾、沙尘等天气状况之外的可正常进行测量的天气状况。摄像头3用于记录观测当前的天气状况，由于对于雨天或云重的时候，大气中的雨滴和云里面的气体分子会影响到光子路径的运动的情况，从而无法通过模型进行准确模拟，只能去除云层干扰的光谱，若天气状况为多云或雾霾，沙尘等影响光子路径的运动情况的天气状况，在该天气状况下无法通过模型进行模拟从而无需进行反演，则将影响光子路径的运动情况的天气状况对应的数据去除，也即自动停止测量。其中，温湿压传感器和雨滴传感器4和摄像头3均置于室外，室外仪器的缝隙处使用硅胶密封，防水防尘，如图2所示，太阳光度计11，摄像头3，温湿压及雨滴传感器4，便携式太阳追踪器5均通过控制线6和控制器7连接，光谱仪9和控制器7置于恒温的室内，室内机室外机通过光纤8和控制线6相连。本实施例在含碳气体探测系统中增加了辅助测量模块，在下雨、多云、雾霾或沙尘等天气状况下自动停止测量，提高了含碳气体探测系统的智能化程度。
[0052]
进一步地，含碳气体探测系统004还可以包括数据存储控制模块006，所述数据存储控制模块006包括控制器7；控制器7用于存储实测光谱和气溶胶光学参数，控制器7还可以存储摄像头3拍摄得到的图片、温湿压传感器记录的温湿压信息，以及雨滴传感器检测的降雨信息，控制器7还用于控制数据采集模块001和气溶胶模块003自动工作，具体地，数据存储控制模块006还包括控制线6，控制器7通过控制线6控制数据采集模块001和气溶胶模块003自动工作，控制器7控制太阳光度计11自动监测气溶胶光学参数，测量结果存入控制器7。
[0053]
参照图4，图4为本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的设备结构示意图。
[0054]
本发明实施例设备可以为pc(personal computer，个人计算机)、便携计算机、含碳气体探测设备等终端设备。
[0055]
如图4所示，该含碳气体探测设备可以包括：处理器1001，例如cpu(central processing unit，中央处理器)，通信总线1002，用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(display)、输入单元比如键盘(keyboard)，可选的用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如无线保真(wireless-fidelity，wi-fi)。存储器1005可以是高速的随机存取存储器(random access memory，ram)存储器，也可以是稳定的非易失性存储器(non-volatile memory，nvm)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
[0056]
本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构并不构成对设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
[0057]
如图4所示，作为一种计算机存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及含碳气体探测程序。
[0058]
在图4所示的设备中，网络接口1004主要用于连接后台服务器，与后台服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于连接客户端(用户端)，与客户端进行数据通信；而处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的投屏控制程序，并执行以下操作：
[0059]
获取观测的几何参数、大气标准廓线和气溶胶光学参数；
[0060]
将所述几何参数、所述大气标准廓线和所述气溶胶光学参数输入至预设辐射传输模型进行模拟，得到气体归一化柱权重函数和太阳归一化模拟光谱；
[0061]
根据所述气体归一化柱权重函数和太阳归一化模拟光谱反演目标含碳气体的垂直柱浓度。
[0062]
本发明还提供一种含碳气体探测方法，参照图5，图5为本发明含碳气体探测方法第一实施例的流程示意图。
[0063]
在本实施例中，所述含碳气体探测方法包括：
[0064]
步骤s10，获取观测的几何参数、大气标准廓线和气溶胶光学参数；
[0065]
在本实施例中，首先获取观测的几何参数、大气标准廓线和气溶胶光学参数，以设置预设辐射传输模型中的参数，其中，观测的几何参数根据含碳气体探测系统004搭建的位置确定，观测的几何参数包括经度、纬度、海拔高度、光谱分辨率、太阳天顶角、观测方位角、相对方位角和切高等参数，其中光谱分辨率由近红外光谱仪9决定；大气标准廓线包括hitran光谱数据库提供的温湿压廓线、voigt线型函数和先验气体等参数，以及大气质量模式实时模拟的二氧化碳，一氧化碳，甲烷等先验气体垂直廓线。在以往的近红外气体反演中，只有1976年提出的单一美国大气标准廓线(uss76)，用于全球任意位置的目标含碳气体先验信息。然而，对于二氧化碳，一氧化碳，甲烷的反演，uss76配置文件已经过时且不够精确，在本实施例中使用大气质量模式实时模拟的二氧化碳，一氧化碳，甲烷等先验气体垂直廓线可进一步提高反演精度；气溶胶参数为由太阳光度计11观测的气溶胶光学厚度，气溶胶不对称因子，单次散照率等参数，在本实施例中还包括获取主控文件的相关设置参数，相关设置参数与观测地点及近红外光谱仪9的硬件设置相关，包括波段，采样间隔，积分方式，线形函数，地表反照率等。
[0066]
可通过太阳光度计11获取气溶胶光学参数和数据采集模块001获取实测光谱，且太阳光度计11和数据采集模块001均可追踪太阳，以同时获取气溶胶光学参数和实测光谱数据，目前的辐射传输模型均采用的是模拟的气溶胶光学参数，本实施例中不采用模拟的气溶胶光学参数，而采用实时测量的气溶胶光学参数，相比于模拟的气溶胶光学参数，实测的气溶胶光学参数准确度更高。
[0067]
步骤s20，将所述几何参数、所述大气标准廓线和所述气溶胶光学参数输入至预设辐射传输模型进行模拟，得到气体归一化柱权重函数和归一化模拟光谱；
[0068]
在本实施例中，将获得的几何参数、大气标准廓线、气溶胶光学参数和相关设置参数作为文本文件输入至预设辐射传输模型中进行模拟，得到气体归一化柱权重函数和归一化模拟光谱。将上述获取的所有参数作为辐射传输模型的输入，再将输入参数设置后的辐射传输模型进行运行，即可获得准确的气体归一化柱权重函数和归一化模拟光谱，气体归一化柱权重函数可以是多个不同气体各自对应的归一化柱权重函数。预设辐射传输模型主要模拟的是光子路径。
[0069]
本实施例中，得到气体归一化柱权重函数和归一化模拟光谱的过程包括：首先进行气体干扰分析，找出在反演波段内存在指纹吸收的气体，根据指纹吸收的气体确定含碳气体和各干扰气体，并计算目标含碳气体和各干扰气体的柱权重函数，具体为确定反演波段，在反演波段内根据吸收截面的大小特征，确定目标含碳气体和干扰气体，计算目标含碳气体和各干扰气体的柱权重函数，目标含碳气体为待反演的含碳气体，例如co2，co2在1064至1068nm的波段吸收，在该波段中可能存在除二氧化碳之外的干扰气体，如甲烷在该波段有一个弱的吸收峰，此时需要将甲烷去除，吸收截面有大有小，如需要反演co2，则查找co2在
该波段吸收最为明显的位置进行反演，吸收截面较小的地方根据吸收特征进行去除，其中指纹吸收的气体是指每种气体在每个波段的吸收都是固定的且都是不同的。在本实施例中，排除反演波段中出目标含碳气体之外的干扰气体的影响，将目标含碳气体之外的干扰气体进行去除，进一步提升了目标含碳气体反演结果的精准度。
[0070]
步骤s30，根据所述气体归一化柱权重函数和归一化模拟光谱反演目标含碳气体的垂直柱浓度；
[0071]
在本实施例中，根据气体归一化柱权重函数和归一化模拟光谱反演目标含碳气体的垂直柱浓度，具体为获取实测光谱、参考光谱、仪器函数和光谱仪偏置，在反演前输入实测光谱，参考光谱、仪器函数和光谱仪偏置等参数，通过最小二乘拟合实测光谱和太阳归一化模拟光谱，不断迭代出目标模拟光谱，直至对实测光谱实现最优拟合，最优拟合即为实测光谱与模拟光谱之间的差距最小，计算出目标含碳气体的垂直廓线标定因子，从而反演出目标含碳气体的垂直柱浓度，其中参考光谱为没有经过任何吸收的模拟光谱，太阳归一化模拟光谱可以为参考光谱，仪器函数为在出厂时已经标定得出的，太阳光进入到近红外光谱仪9的过程中存在一定损失，进光的进光强度与仪器函数进行卷积可得到损失后的光强，本实施例中考虑到太阳光的损失光强，进而得到更加准确的反演结果。
[0072]
在本实施例中，通过太阳光度计11同步测量大气气溶胶光学参数，根据气溶胶光学参数设置辐射传输模型，在一定程度上提升了辐射传输模型模拟各气体的归一化柱权重函数和太阳归一化模拟光谱的准确性，进一步地提高了二氧化碳，一氧化碳，甲烷等含碳气体的垂直柱浓度的反演精度。
[0073]
进一步地，上述步骤s30，根据所述气体归一化柱权重函数和归一化模拟光谱反演目标含碳气体的垂直柱浓度的细化步骤包括：
[0074]
步骤a，获取实测光谱；
[0075]
步骤b，根据气体归一化柱权重函数拟合所述实测光谱和所述太阳归一化模拟光谱，迭代出目标模拟光谱；
[0076]
步骤c，根据所述目标模拟光谱计算目标含碳气体的垂直廓线标定因子，根据垂直廓线标定因子反演出目标含碳气体的垂直柱浓度。
[0077]
在本实施例中，获取实测光谱，具体地，实测光谱为太阳光被大气中的近红外气体吸收后的实测光谱，将太阳光传输至近红外光谱仪9的过程可以为：太阳光在穿过大气层时被近红外气体吸收，接收直射的太阳光，对直射的太阳光进行过滤，过滤除近红外光之外的光，再对太阳光进行分光及a/d转换处理，得到实测光谱数据，进而通过气体归一化柱权重函数拟合实测光谱和太阳归一化模拟光谱，迭代出目标模拟光谱，目标模拟光谱为拟合过程中实测光谱与模拟光谱之间的差距最小的模拟光谱，根据目标模拟光谱计算目标含碳气体的垂直廓线标定因子，根据垂直廓线标定因子反演出目标含碳气体的垂直柱浓度，进一步地，还可以将目标含碳气体的垂直柱浓度除以干空气柱浓度，得到目标含碳气体的干空气摩尔分数，根据干空气摩尔分数观测大气中的目标含碳气体的浓度。调用最小二乘拟合函数，对获取到的实测光谱和归一化模拟光谱进行不断拟合，近红外光谱反演算法中使用最小二乘拟合实测光谱和模拟光谱，表达式为：二乘拟合实测光谱和模拟光谱，表达式为：式中为波长λ处实测光谱，为波长
λ处模拟光谱，为先验状态下的模拟量，为各大气参数的柱权重函数，i为不同气体，目标含碳气体或干扰气体，p
λ
(a)为受宽带吸收影响的低阶多项式，也即本实施例中气溶胶或云等吸收慢变化，ξ
λ
为误差项。v
true
、v分别为真实目标含碳气体柱浓度、模拟目标含碳气体柱浓度和反演目标含碳气体柱浓度。将实测光谱、慢变化影响、误差以及准确的归一化模拟光谱和气体归一化柱权重函数拟合实测光谱和模拟光谱，可得到较为准确的反演结果。
[0078]
进一步地，上述步骤步骤b，通过气体归一化柱权重函数拟合所述实测光谱和所述太阳归一化模拟光谱，迭代出目标模拟光谱的步骤之前包括：
[0079]
步骤b1，对所述实测光谱进行低通滤波，去除所述实测光谱中的宽带吸收和噪声。
[0080]
在本技术中，在通过最小二乘拟合实测光谱和模拟光谱，迭代出目标模拟光谱之前，对实测光谱进行低通滤波处理，将光谱慢变化成分去除，具体地，大气中气溶胶和云层等大分子或稳定分子对太阳光的吸收是慢变化，随波段变化慢，而含碳气体的吸收变化快，导致存在噪声和/或宽带吸收，将实测光谱中的宽带吸收和噪声去除，保留气体吸收的波形。可参考图7，图7为co2观测结果图，纵坐标为xco2的柱浓度，横坐标为时间单位为小时，通过上述含碳气体探测方法可反演出含碳气体如co2的柱浓度。如图6所示，首先获取太阳光度计11观测的气溶胶光学参数、观测的几何参数以及hitran2016和大气质量模式提供的大气标准廓线，将上述的参数均输入至辐射传输模型，通过辐射传输模型模拟得到归一化的各气体权重截面和归一化模拟的太阳辐射光谱，同时获取测量光谱、参考光谱、仪器函数和光谱仪偏置，根据测量光谱、参考光谱、仪器函数和光谱仪偏置、以及归一化的各气体权重截面和归一化模拟的太阳辐射光谱，进行最小二乘拟合出目标气体的垂直柱浓度。
[0081]
在本实施例中，获取观测的几何参数、大气标准廓线和气溶胶光学参数，将几何参数、大气标准廓线和气溶胶光学参数输入至预设辐射传输模型进行模拟，得到气体归一化柱权重函数和太阳归一化模拟光谱，根据气体归一化柱权重函数和太阳归一化模拟光谱反演目标含碳气体的垂直柱浓度，在检测含碳气体的垂直柱浓度的同时，测量大气气溶胶光学参数，提升含碳气体反演结果的精确度，相比于仅依靠星载近红外高光谱分析仪，通过红外波段观测含碳气体，本发明考虑到气溶胶光学参数对含碳气体反演结果的影响，提高了反演结果的准确度。
[0082]
本发明还提供一种含碳气体探测设备，其特征在于，所述含碳气体探测设备包括存储器、处理器、以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的含碳气体探测程序，所述含碳气体探测程序被处理器执行时实现如以上任一项实施例所述的含碳气体探测方法的步骤。本发明含碳气体探测设备的具体实施例与上述含碳气体探测方法各实施例基本相同，在此不作赘述。
[0083]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有含碳气体探测程序，所述含碳气体探测程序被处理器执行时实现如以上任一项实施例所述的含碳气体探测方法的步骤。本发明计算机可读存储介质的具体实施例与上述含碳气体探测方法各实施例基本相同，在此不作赘述。
[0084]
可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第n实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特
征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0085]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
[0086]
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0087]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
[0088]
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。