一种二氧化碳浓度测量方法、装置、设备及介质与流程

1.本发明激光雷达遥测技术领域，特别涉及一种二氧化碳浓度测量方法、装置、设备及介质。


背景技术：

2.当前，为实现城市环境温室气体的立体监测需求，急需开发二氧化碳测量激光雷达系统。自20世纪70年代以来，国内外就开展了二氧化碳差分吸收激光雷达的研究，获取二氧化碳近地面的柱浓度或距离分辨浓度。但在进行二氧化碳浓度反演过程中，需要用到的co2吸收截面、空气分子数密度、水汽分子密度等参数，与大气温度和压强密切相关，上述参数的准确性直接影响co2(二氧化碳)反演浓度的精度。
3.现有的测量二氧化碳浓度的方法是利用来自美国标准大气模型的温度、压强、空气密度等数据来计算co2吸收截面差值，但是不同地点不同时间的温度、压强数值及空气密度随高度分布具有较大差异，因此造成准确定较低。
4.综上所述，如何提高二氧化碳浓度测量的准确性是当前亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种二氧化碳浓度测量方法、装置、设备及介质，能够提高二氧化碳浓度测量的准确性。其具体方案如下：
6.第一方面，本技术公开了一种二氧化碳浓度测量方法，包括：
7.基于拉曼散射原理实时获取目标区域的大气中的温度垂直廓线和水汽混合比垂直廓线，并确定所述目标区域的大气中的压强垂直廓线；
8.基于所述温度垂直廓线和所述压强垂直廓线实时确定所述目标区域的大气中各高度的目标空气分子密度、目标二氧化碳吸收截面差值和目标水汽吸收截面差值，并基于所述水汽混合比垂直廓线计算水汽分子密度垂直廓线；
9.向所述目标区域的大气中实时发射原始在线波长和原始离线波长，以获取所述原始在线波长和所述原始离线波长被二氧化碳吸收后各高度的目标在线回波信号和目标离线回波信号；
10.根据所述水汽分子密度垂直廓线、所述目标在线回波信号、所述目标离线回波信号以及各高度的所述目标空气分子密度、所述目标二氧化碳吸收截面差值、所述目标水汽吸收截面差值计算相应高度的目标二氧化碳浓度，以获取所述目标区域的大气中的二氧化碳浓度垂直廓线。
11.可选的，所述基于拉曼散射原理实时获取所述目标区域的大气中的温度垂直廓线和水汽分子密度垂直廓线，包括：
12.向所述目标区域的大气中垂直发射对原始高能脉冲扩束后获得的目标高能脉冲，并获取基于所述目标高能脉冲产生的拉曼后向散射信号，然后分析所述拉曼后向散射信号以实时获取大气中的温度垂直廓线和水汽混合比垂直廓线。
13.可选的，所述分析所述拉曼后向散射信号以实时获取大气中的温度垂直廓线和水汽分子密度垂直廓线，包括：
14.对所述拉曼后向散射信号进行分光处理以得到不同预设波长分别对应的目标拉曼信号，并分析所述目标拉曼信号以获取大气中的温度垂直廓线和水汽混合比垂直廓线。
15.可选的，所述向所述目标区域的大气中实时发射原始在线波长和原始离线波长，以获取所述原始在线波长和所述原始离线波长被二氧化碳吸收后各高度的目标在线回波信号和目标离线回波信号，包括：
16.向所述目标区域的大气中实时垂直发射原始在线波长和原始离线波长，以获取所述原始在线波长和所述原始离线波长被二氧化碳吸收后各高度的目标在线回波信号和目标离线回波信号。
17.可选的，所述向所述目标区域的大气中实时发射原始在线波长和原始离线波长，以获取所述原始在线波长和所述原始离线波长被二氧化碳吸收后各高度的目标在线回波信号和目标离线回波信号，包括：
18.向所述目标区域的大气中实时垂直发射多组原始在线波长和原始离线波长，并获取每一组所述原始在线波长和所述原始离线波长对应的各高度的原始在线回波信号和原始离线回波信号；
19.计算各高度的所述原始在线回波信号的平均值和所述原始离线回波信号的平均值以获取目标在线回波信号和目标原始离线回波信号。
20.可选的，所述基于所述水汽混合比垂直廓线计算水汽分子密度垂直廓线，包括：
21.基于所述水汽混合比垂直廓线计算水汽体积混合比垂直廓线；
22.基于所述水汽体积混合比垂直廓线和各高度的所述目标空气分子密度计算各高度的目标水汽分子密度，以得到水汽分子密度垂直廓线。
23.可选的，所述确定所述目标区域的大气中的压强垂直廓线，包括：
24.通过气压传感器测量所述气压传感器所在位置的目标压强，并基于所述目标压强和目标标准大气模型计算所述目标区域的大气中的各高度的压强以确定所述目标区域的大气中的压强垂直廓线。
25.第二方面，本技术公开了一种二氧化碳浓度测量装置，包括：
26.垂直廓线获取模块，用于基于拉曼散射原理实时获取所述目标区域的大气中的温度垂直廓线和水汽混合比垂直廓线，并确定所述目标区域的大气中的压强垂直廓线；
27.信息确定模块，用于基于所述温度垂直廓线和所述压强垂直廓线确定大气中各高度的目标空气分子密度、目标二氧化碳吸收截面差值和目标水汽吸收截面差值，并基于所述水汽混合比垂直廓线计算水汽分子密度垂直廓线；
28.信号获取模块，用于向所述目标区域的大气中实时发射原始在线波长和原始离线波长，以获取所述原始在线波长和所述原始离线波长被二氧化碳吸收后各高度的目标在线回波信号和目标离线回波信号；
29.二氧化碳浓度计算模块，用于根据所述水汽分子密度垂直廓线、所述目标在线回波信号、所述目标离线回波信号以及各高度的所述目标空气分子密度、所述目标二氧化碳吸收截面差值、所述目标水汽吸收截面差值计算相应高度的目标二氧化碳浓度，以获取所述目标区域的大气中的二氧化碳浓度垂直廓线。
30.第三方面，本技术公开了一种电子设备，包括处理器和存储器；其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现前述公开的二氧化碳浓度测量方法。
31.第四方面，本技术公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述公开的二氧化碳浓度测量方法。
32.可见，本技术基于拉曼散射原理实时获取目标区域的大气中的温度垂直廓线和水汽混合比垂直廓线，并确定所述目标区域的大气中的压强垂直廓线；基于所述温度垂直廓线和所述压强垂直廓线实时确定所述目标区域的大气中各高度的目标空气分子密度、目标二氧化碳吸收截面差值和目标水汽吸收截面差值，并基于所述水汽混合比垂直廓线计算水汽分子密度垂直廓线；向所述目标区域的大气中实时发射原始在线波长和原始离线波长，以获取所述原始在线波长和所述原始离线波长被二氧化碳吸收后各高度的目标在线回波信号和目标离线回波信号；根据所述水汽分子密度垂直廓线、所述目标在线回波信号、所述目标离线回波信号以及各高度的所述目标空气分子密度、所述目标二氧化碳吸收截面差值、所述目标水汽吸收截面差值计算相应高度的目标二氧化碳浓度，以获取所述目标区域的大气中的二氧化碳浓度垂直廓线。由此可见，本技术基于拉曼散射原理实时获取目标区域的大气中的温度垂直廓线，利用压强垂直廓线和温度垂直廓线实时计算目标二氧化碳吸收截面差值，并提出了利用压强垂直廓线和温度垂直廓线实时计算目标水汽吸收截面差值，最后基于实时计算出的目标二氧化碳吸收截面差值和目标水汽吸收截面差值等计算二氧化碳浓度垂直廓线，因为是实时获取大气中的温度垂直廓线和压强垂直廓线，所以提高了二氧化碳浓度测量的准确性；另外，计算出目标水汽吸收截面差值，以排除掉水汽吸收截面差值对二氧化碳浓度计算的影响，进一步提高准确性。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
34.图1为本技术提供的一种二氧化碳浓度测量方法流程图；
35.图2为本技术提供的一种二氧化碳和水汽的吸收截面示意图；
36.图3为本技术提供的一种具体的二氧化碳浓度测量方法流程图；
37.图4为本技术提供的一种二氧化碳浓度测量系统示意图；
38.图5为本技术提供的一种二氧化碳浓度测量流程示意图；
39.图6为本技术提供的一种二氧化碳浓度测量装置结构示意图；
40.图7为本技术提供的一种电子设备结构图。
具体实施方式
41.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做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。
42.当前，测量二氧化碳浓度的方法中，利用来自美国标准大气模型的温度、压强、空气密度等数据来计算co2吸收截面差值，但是不同地点不同时间的温度、压强数值及空气密度随高度分布具有较大差异，因此造成准确度较低。
43.为了克服上述问题，本技术提供了一种二氧化碳浓度测量方案，能够提高二氧化碳浓度测量的准确性。
44.参见图1所示，本技术实施例公开了一种二氧化碳浓度测量方法，该方法包括：
45.步骤s11：基于拉曼散射原理实时获取目标区域的大气中的温度垂直廓线和水汽混合比垂直廓线，并确定所述目标区域的大气中的压强垂直廓线。
46.本技术实施例中，实时确定所述目标区域的大气中的压强垂直廓线的具体过程为：通过气压传感器测量所述气压传感器所在位置的目标压强，并基于所述目标压强和目标标准大气模型计算所述目标区域的大气中的各高度的压强以确定所述目标区域的大气中的压强垂直廓线。具体的，根据1976年美国标准大气模型，得到海拔z
′
处压强的查找表，记为x(z
′
)，根据所述气压传感器测得压强p0，结合系统所处海拔高度记为z0，则距离地面高度z处的压强 p(z)＝p
0-x(0)+x(z+z0)；
47.本技术实施例中，基于拉曼散射原理实时获取目标区域的大气中的温度垂直廓线和水汽混合比垂直廓线，以便利用温度垂直廓线和水汽混合比垂直廓线计算二氧化碳浓度。
48.步骤s12：基于所述温度垂直廓线和所述压强垂直廓线实时确定所述目标区域的大气中各高度的目标空气分子密度、目标二氧化碳吸收截面差值和目标水汽吸收截面差值，并基于所述水汽混合比垂直廓线计算水汽分子密度垂直廓线。
49.本技术实施例中，二氧化碳浓度测量系统中的数据融合模块，基于所述温度垂直廓线和所述压强垂直廓线实时确定所述目标区域的大气中各高度的目标空气分子密度、目标二氧化碳吸收截面差值和目标水汽吸收截面差值，并基于所述水汽混合比垂直廓线计算水汽分子密度垂直廓线，具体的，基于所述温度垂直廓线和所述压强垂直廓线，并根据预设公式实时确定所述目标区域的大气中各高度的目标二氧化碳吸收截面差值和目标水汽吸收截面差值，另外，基于所述水汽混合比垂直廓线计算水汽体积混合比垂直廓线；基于所述水汽体积混合比垂直廓线和各高度的所述目标空气分子密度计算各高度的目标水汽分子密度，以得到水汽分子密度垂直廓线；例如，计算高度z处的目标二氧化碳吸收截面差值和目标水汽吸收截面差值时，首先确定高度z处的温度t、压强p，然后根据预设公式计算。所述预设公式为：
[0050][0051][0052][0053]
[0054]
其中，s为线强，t为积分变量，γ
l
为洛伦兹谱型的半高半宽，γd为多普勒半宽，v0为谱型中心处波数，s和γd为温度的函数，γ
l
为温度及压强的函数，t、p分别为高度z处的大气温度、气压，t0＝296.15k，p0＝1atm，γ0为 t0及p0状态下的参考半宽，s0为t0及p0p_0状态下的线强，e
″
为跃迁低能态， ind为296k温度下的分子常值指数，e”及ind均可从hitran数据库获得，h为普朗克常量，kb为玻尔兹曼常数，c为光速，m为气体分子质量。
[0055]
需要指出的是，目标二氧化碳吸收截面差值和目标水汽分子吸收截面差值都是由上述预设公式计算得到的，但是计算目标二氧化碳吸收截面差值和目标水汽分子吸收截面差值时，s0、γ0、e
″
和ind是不同的。
[0056]
需要指出的是，例如，计算高度z处的目标空气分子密度，具体的，根据高度z处温度t、压强p计算高度z处的目标空气分子密度n(z)；计算公式如下所示：
[0057][0058]
其中，n
l
＝2.479*10
25
为温度296k、压强1.013
×
105时的空气分子数密度，即洛施密特数。
[0059]
计a(z)为水汽混合比(g/kg)，则水汽体积混合比为
[0060][0061]
水汽分子密度为：
[0062]nh2o
(z)＝n(z)*xh2o(z)；
[0063]
其中，m
air
为空气分子质量，m
h2o
为水汽分子质量。n(z)为高度z处空气分子密度。
[0064]
步骤s13：向所述目标区域的大气中实时发射原始在线波长和原始离线波长，以获取所述原始在线波长和所述原始离线波长被二氧化碳吸收后各高度的目标在线回波信号和目标离线回波信号。
[0065]
本技术实施例中，二氧化碳浓度测量系统中二氧化碳差分吸收激光雷达模块中的双波长激光发射单元通过二氧化碳收发望远镜，利用差分吸收技术或相干差分吸收技术所述目标区域的大气中实时交替高频发射原始在线波长和原始离线波长。需要指出的是，本技术采用的是1572nm或2um谱段。需要指出的是，差分吸收dial(differential absorption laser radar，差分吸收激光雷达技术)为选择两种不同的激光波长(通常称为在线和离线波长)，使得一种波长被感兴趣的气体分子吸收，而另一种波长则吸收相对较弱。通过测量两个返回激光信号的后续强度差异，可以确定所研究分子的浓度。差分吸收技术的原理是选择两种不同的激光波长(通常称为on波长和off波长)，on波长选择在co2吸收峰的峰值处，off波长选择同一吸收峰的谷值处，通过分析激光后向散射信号中两个波长强度的差异，获得co2的浓度信息。需要指出的是，所述on波长为在线波长，所述off波长为离线波长；另外，相干外差技术，具有测量灵敏度高、不受背景光影响等优势。相干与差分吸收技术结合，除可同步获取风场廓线外，还可以提高差分吸收系统的信噪比、降低背景光影响。
[0066]
本技术实施例中，二氧化碳浓度测量系统中二氧化碳差分吸收激光雷达模块中的双波长激光发射单元通过二氧化碳收发望远镜所述向所述目标区域的大气中实时发射原始在线波长和原始离线波长，以通过二氧化碳浓度测量系统中二氧化碳差分吸收激光雷达
模块中的二氧化碳收发望远镜获取所述原始在线波长和所述原始离线波长被二氧化碳吸收后各高度的目标在线回波信号和目标离线回波信号分为两种情况。
[0067]
在一种具体实施例中，向所述目标区域的大气中实时垂直发射原始在线波长和原始离线波长，以获取所述原始在线波长和所述原始离线波长被二氧化碳吸收后各高度的目标在线回波信号和目标离线回波信号。
[0068]
在另一种具体实施例中，向所述目标区域的大气中实时垂直发射多组原始在线波长和原始离线波长，并获取每一组所述原始在线波长和所述原始离线波长对应的各高度的原始在线回波信号和原始离线回波信号；计算各高度的所述原始在线回波信号的平均值和所述原始离线回波信号的平均值以获取目标在线回波信号和目标原始离线回波信号。
[0069]
需要指出的是，根据每一组所述原始在线波长和所述原始离线波长都会得到各高度的原始在线回波信号和原始离线回波信号，计算各组在相同高度的各高度的原始在线回波信号和原始离线回波信号的平均值以获取大气中各高度的目标在线回波信号和目标离线回波信号。
[0070]
步骤s14：根据所述水汽分子密度垂直廓线、所述目标在线回波信号、所述目标离线回波信号以及各高度的所述目标空气分子密度、所述目标二氧化碳吸收截面差值、所述目标水汽吸收截面差值计算相应高度的目标二氧化碳浓度，以获取所述目标区域的大气中的二氧化碳浓度垂直廓线。
[0071]
本技术实施例中，二氧化碳浓度测量系统通过数据融合单元根据所述水汽分子密度垂直廓线、所述目标在线回波信号、所述目标离线回波信号以及各高度的所述目标空气分子密度、所述目标二氧化碳吸收截面差值、所述目标水汽吸收截面差值，并根据目标公式计算相应高度的目标二氧化碳浓度，以获取所述目标区域的大气中的二氧化碳浓度垂直廓线。需要指出的是，所述目标公式如下所示：
[0072][0073]
其中，
△
z为距离分辨率(距离差)n(z)为高度z处空气分子数密度，
△
σ＝σ(λ
on
,z)-(λ
off
,z)为co2气体在on波长和off波长的吸收截面差值，p
on,z
‑△
z/2
和p
off,z
‑△
z/2
分别为前一个距离门接收的两波长能量，p
on,z+
△
z/2
和p
off,z+
△
z/2
分别为下一个距离门接收两波长能量，为高度z处水分子密度，为水汽在on波长和off波长吸收截面差值。
[0074]
需要指出的是，本技术中需要利用第一预设高度的目标离线回波信号和目标在线回波信号，以及第二预设高度的目标离线回波信号和目标在线回波信号计算目标高度处的二氧化碳浓度；其中所述第一预设高度为所述目标高度垂直向下预设距离的高度；所述第二预设高度为所述目标高度垂直向上预设距离的高度。
[0075]
需要指出的是，当不计算目标水汽吸收截面差值时，所述水汽吸收截面差值会被作为二氧化碳吸收截面差值的一部分，造成二氧化碳逆浓度测量准确性的下降，具体的，如图2所示，为二氧化碳和水汽的吸收截面图，在on波长和off波长处，两者均会引起吸收强度，即n为对应气体分子数，σ为对应气体吸收截面在两个波长处的差值。若不考虑水汽干扰，而将其误算为co2的吸收，则将会造成co2分子数的误差为
而造成浓度的误差则为也即目标公式中的被减去的后半部分
[0076]
可见，本技术基于拉曼散射原理实时获取目标区域的大气中的温度垂直廓线和水汽混合比垂直廓线，并确定所述目标区域的大气中的压强垂直廓线；基于所述温度垂直廓线和所述压强垂直廓线实时确定所述目标区域的大气中各高度的目标空气分子密度、目标二氧化碳吸收截面差值和目标水汽吸收截面差值，并基于所述水汽混合比垂直廓线计算水汽分子密度垂直廓线；向所述目标区域的大气中实时发射原始在线波长和原始离线波长，以获取所述原始在线波长和所述原始离线波长被二氧化碳吸收后各高度的目标在线回波信号和目标离线回波信号；根据所述水汽分子密度垂直廓线、所述目标在线回波信号、所述目标离线回波信号以及各高度的所述目标空气分子密度、所述目标二氧化碳吸收截面差值、所述目标水汽吸收截面差值计算相应高度的目标二氧化碳浓度，以获取所述目标区域的大气中的二氧化碳浓度垂直廓线。由此可见，本技术基于拉曼散射原理实时获取目标区域的大气中的温度垂直廓线，利用压强垂直廓线和温度垂直廓线实时计算目标二氧化碳吸收截面差值，并提出了利用压强垂直廓线和温度垂直廓线实时计算目标水汽吸收截面差值，最后基于实时计算出的目标二氧化碳吸收截面差值和目标水汽吸收截面差值等计算二氧化碳浓度垂直廓线，因为是实时获取大气中的温度垂直廓线和压强垂直廓线，所以提高了二氧化碳浓度测量的准确性；另外，计算出目标水汽吸收截面差值，以排除掉水汽吸收截面差值对二氧化碳浓度计算的影响，进一步提高准确性。
[0077]
参见图3所示，本技术实施例公开了一种具体的二氧化碳浓度测量方法，该方法包括：
[0078]
步骤s21：向所述目标区域的大气中垂直发射对原始高能脉冲扩束后获得的目标高能脉冲，并获取基于所述目标高能脉冲产生的拉曼后向散射信号，然后分析所述拉曼后向散射信号以实时获取大气中的温度垂直廓线和水汽混合比垂直廓线。
[0079]
本技术实施例中，向所述目标区域的大气中垂直发射对原始高能脉冲扩束后获得的目标高能脉冲，并获取基于所述目标高能脉冲产生的拉曼后向散射信号，然后分析所述拉曼后向散射信号以实时获取大气中的温度垂直廓线和水汽混合比垂直廓线；另外，分析所述拉曼后向散射信号以实时获取大气中的温度垂直廓线和水汽混合比垂直廓线的具体过程为：对所述拉曼后向散射信号进行分光处理以得到不同预设波长分别对应的目标拉曼信号，并分析所述目标拉曼信号以获取大气中的温度垂直廓线和水汽混合比垂直廓线。需要指出的是，所述原始高能脉冲为355nm，另外，分光单元分光后得到352.5nm、 353.9nm、386.7nm、407.5nm共4个通道的目标拉曼信号，然后利用352.5nm和 353.9nm的目标拉曼信号计算温度，利用386.7nm和407.5nm的目标拉曼信号计算水汽混合比；需要指出的是，获取的基于所述目标高能脉冲产生的拉曼后向散射信号包括各高度的信号。
[0080]
步骤s22：基于所述温度垂直廓线和所述压强垂直廓线实时确定所述目标区域的大气中各高度的目标空气分子密度、目标二氧化碳吸收截面差值和目标水汽吸收截面差值，并基于所述水汽混合比垂直廓线计算水汽分子密度垂直廓线。
[0081]
本实施例中，关于上述步骤s22的具体过程，可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
[0082]
步骤s23：向所述目标区域的大气中实时发射原始在线波长和原始离线波长，以获取所述原始在线波长和所述原始离线波长被二氧化碳吸收后各高度的目标在线回波信号和目标离线回波信号。
[0083]
本实施例中，关于上述步骤s23的具体过程，可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
[0084]
步骤s24：根据所述水汽分子密度垂直廓线、所述目标在线回波信号、所述目标离线回波信号以及各高度的所述目标空气分子密度、所述目标二氧化碳吸收截面差值、所述目标水汽吸收截面差值计算相应高度的目标二氧化碳浓度，以获取所述目标区域的大气中的二氧化碳浓度垂直廓线。
[0085]
本实施例中，关于上述步骤s24的具体过程，可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
[0086]
可见，本技术向所述目标区域的大气中垂直发射目标高能脉冲，并获取基于所述目标高能脉冲产生的拉曼后向散射信号，然后分析所述拉曼后向散射信号以实时获取大气中的温度垂直廓线和水汽混合比垂直廓线；基于所述温度垂直廓线和所述压强垂直廓线实时确定所述目标区域的大气中各高度的目标空气分子密度、目标二氧化碳吸收截面差值和目标水汽吸收截面差值，并基于所述水汽混合比垂直廓线计算水汽分子密度垂直廓线；向所述目标区域的大气中实时发射原始在线波长和原始离线波长，以获取所述原始在线波长和所述原始离线波长被二氧化碳吸收后各高度的目标在线回波信号和目标离线回波信号；根据所述水汽分子密度垂直廓线、所述目标在线回波信号、所述目标离线回波信号以及各高度的所述目标空气分子密度、所述目标二氧化碳吸收截面差值、所述目标水汽吸收截面差值计算相应高度的目标二氧化碳浓度，以获取所述目标区域的大气中的二氧化碳浓度垂直廓线。由此可见，本技术基于拉曼散射原理实时获取目标区域的大气中的温度垂直廓线，利用压强垂直廓线和温度垂直廓线实时计算目标二氧化碳吸收截面差值，并提出了利用压强垂直廓线和温度垂直廓线实时计算目标水汽吸收截面差值，最后基于实时计算出的目标二氧化碳吸收截面差值和目标水汽吸收截面差值等计算二氧化碳浓度垂直廓线，因为，是实时获取大气中的温度垂直廓线和压强垂直廓线，所以提高了二氧化碳浓度测量的准确性；另外，本技术中扩充原始高能脉冲为目标高能脉冲，并对获取的拉曼后向散射信号进行分光得到不同预设波长的目标拉曼信号，分别用于计算温度和水汽分子密度，提高了计算的准确性；另外，计算出目标水汽吸收截面差值，以排除掉水汽吸收截面差值对二氧化碳浓度计算的影响，进一步提高准确性。
[0087]
参见图4所示，为二氧化碳浓度测量系统，所述系统包括拉曼温湿度激光雷达模块11，二氧化碳差分吸收激光雷达模块12，采集控制单元13，数据融合单元14和气压传感器15；所述拉曼温湿度激光雷达模块11包括拉曼光源 110、扩束镜111、拉曼接收望远镜112、分光单元113、温度拉曼探测单元114 和水汽拉曼探测单元115。
[0088]
所述拉曼温湿度激光雷达模块11基于拉曼散射原理，向大气中垂直发射 355nm高能脉冲，脉冲在空气中传播过程中，受激产生与大气温度、水汽分子密度相关的拉曼信号，使用望远镜收集拉曼后向散射信号，并进行分析，获取温度、水汽分子数密度垂直廓线数
据。具体的，所述拉曼温湿度激光雷达模块11中拉曼光源110发射355nm高能脉冲，经扩束镜111进行扩束后发送到大气中。脉冲在大气传输过程中产生与温度、水汽相关的后向散射拉曼信号，由拉曼接收望远镜112接收，并进入分光单元113进行352.5nm、353.9nm、 386.7nm、407.5nm共4个通道的拉曼信号分光，其中温度拉曼探测单元对 352.5nm、353.9nm信号进行检测，水汽拉曼探测单元对386.7nm、407.5nm信号进行检测。
[0089]
所述co2差分吸收激光雷达模块12采用差分吸收技术，或相干差分吸收技术，向目标大气交替高频发射on波长激光和off波长激光，on波长位于co2吸收峰值处，off波长位于co2吸收谷值处，两个波长的激光进入大气被co2气体进行不同程度吸收，并被大气分子及气溶胶进行散射，后向散射信号被望远镜接收并由探测器进行探测，通过分析两个波长回波信号的差异可获得 co2浓度信息。具体的，所述co2差分吸收激光雷达模块12包括双波长激光发射单元120、co2收发望远镜121及co2探测单元122。双波长激光发射单元120 交替发出on波长激光和off波长激光，并经由co2收发望远镜121垂直出射到大气中，激光在大气中经过co2气体吸收后的信号经气溶胶及大气分子进行后向散射，由co2收发望远镜121进行收集，并传输至co2探测单元122进行光电转换。需要指出的是，二氧化碳差分吸收激光雷达模块，配套的软件预留数据接口，接收外部传来的实时温度、水汽分子密度等数据，用于修正吸收截面、空气分子密度等参数；
[0090]
所述采集控制单元13，实现对拉曼温湿度激光雷达模块11和co2差分吸收激光雷达模块12的运行控制、状态监测，及拉曼信号、差分吸收信号的采集，并将采集到的信号传递给数据融合模块14。
[0091]
所述气压传感器15实时测量系统所在位置的大气压强。
[0092]
所述数据融合模块14，接收采集控制模块13传来的温度及水汽拉曼信号、 co2差分吸收信号，计算各高度处温度、水汽混合比廓线数据，并用于修正对应高度处的co2吸收截面差、空气分子数密度、水汽分子密度、水汽干扰，结合co2差分吸收信号，最终获取co2浓度。
[0093]
参见图5所示，为二氧化碳浓度测量流程示意图；通过气压传感器测量压强，通过拉曼温湿度激光雷达测量温度和水汽分子密度，利用co2差分吸收激光雷达获得离线回波信号和在线回波信号(两波长回波信号)，然后基于温度和压强计算空气分子密度、co2吸收截面差值和h2o吸收截面差值，最后利用空气分子密度、co2吸收截面差值、h2o吸收截面差值、水汽分子密度离线回波信号和在线回波信号计算二氧化碳浓度廓线。
[0094]
需要指出的是，本系统包含co2差分吸收激光雷达模块及拉曼温湿度激光雷达模块，在测量co2差分吸收信号(在线回波信号和离线回波信号)的同时，可同步实时测量同一目标区域的温度、水汽混合比廓线数据，进而修正co2吸收截面、空气分子数密度、水汽分子密度、水汽吸收截面差等参数，提高 co2反演精度。
[0095]
参见图6所示，本技术实施例公开了一种二氧化碳浓度测量装置，包括：
[0096]
垂直廓线获取模块11，用于基于拉曼散射原理实时获取所述目标区域的大气中的温度垂直廓线和水汽混合比垂直廓线，并确定所述目标区域的大气中的压强垂直廓线；
[0097]
信息确定模块12，用于基于所述温度垂直廓线和所述压强垂直廓线确定大气中各高度的目标空气分子密度、目标二氧化碳吸收截面差值和目标水汽吸收截面差值，并基于所述水汽混合比垂直廓线计算水汽分子密度垂直廓线；
[0098]
信号获取模块13，用于向所述目标区域的大气中实时发射原始在线波长和原始离线波长，以获取所述原始在线波长和所述原始离线波长被二氧化碳吸收后各高度的目标在线回波信号和目标离线回波信号；
[0099]
二氧化碳浓度计算模块14，用于根据所述水汽分子密度垂直廓线、所述目标在线回波信号、所述目标离线回波信号以及各高度的所述目标空气分子密度、所述目标二氧化碳吸收截面差值、所述目标水汽吸收截面差值计算相应高度的目标二氧化碳浓度，以获取所述目标区域的大气中的二氧化碳浓度垂直廓线。
[0100]
其中，关于上述各个模块更加具体的工作过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
[0101]
可见，本技术基于拉曼散射原理实时获取目标区域的大气中的温度垂直廓线和水汽混合比垂直廓线，并确定所述目标区域的大气中的压强垂直廓线；基于所述温度垂直廓线和所述压强垂直廓线实时确定所述目标区域的大气中各高度的目标空气分子密度、目标二氧化碳吸收截面差值和目标水汽吸收截面差值，并基于所述水汽混合比垂直廓线计算水汽分子密度垂直廓线；向所述目标区域的大气中实时发射原始在线波长和原始离线波长，以获取所述原始在线波长和所述原始离线波长被二氧化碳吸收后各高度的目标在线回波信号和目标离线回波信号；根据所述水汽分子密度垂直廓线、所述目标在线回波信号、所述目标离线回波信号以及各高度的所述目标空气分子密度、所述目标二氧化碳吸收截面差值、所述目标水汽吸收截面差值计算相应高度的目标二氧化碳浓度，以获取所述目标区域的大气中的二氧化碳浓度垂直廓线。由此可见，本技术基于拉曼散射原理实时获取目标区域的大气中的温度垂直廓线，利用压强垂直廓线和温度垂直廓线实时计算目标二氧化碳吸收截面差值，并提出了利用压强垂直廓线和温度垂直廓线实时计算目标水汽吸收截面差值，最后基于实时计算出的目标二氧化碳吸收截面差值和目标水汽吸收截面差值等计算二氧化碳浓度垂直廓线，因为是实时获取大气中的温度垂直廓线和压强垂直廓线，所以提高了二氧化碳浓度测量的准确性；另外，计算出目标水汽吸收截面差值，以排除掉水汽吸收截面差值对二氧化碳浓度计算的影响，进一步提高准确性。
[0102]
进一步的，本技术实施例还提供了一种电子设备，图7是根据一示例性实施例示出的电子设备30结构图，图中的内容不能认为是对本技术的使用范围的任何限制。
[0103]
图7为本技术实施例提供的一种电子设备30的结构示意图。该电子设备 30，具体可以包括：至少一个处理器31、至少一个存储器32、电源33、输入输出接口34、通信接口35和通信总线36。其中，所述存储器32用于存储计算机程序，所述计算机程序由所述处理器31加载并执行，以实现前述任意实施例公开的二氧化碳浓度测量方法的相关步骤。
[0104]
本实施例中，电源33用于为电子设备30上的各硬件设备提供工作电压；通信接口35能够为电子设备30创建与外界设备之间的数据传输通道，其所遵循的通信协议是能够适用于本技术技术方案的任意通信协议，在此不对其进行具体限定；输入输出接口34，用于获取外界输入数据或向外界输出数据，其具体的接口类型可以根据具体应用需要进行选取，在此不进行具体限定。
[0105]
另外，存储器32作为资源存储的载体，可以是只读存储器、随机存储器、磁盘或者光盘等，存储器32作为可以包括作为运行内存的随机存取存储器和用于外部内存的存储用途的非易失性存储器，其上的存储资源包括操作系统 321、计算机程序322等，存储方式可
以是短暂存储或者永久存储。
[0106]
其中，操作系统321用于管理与控制源主机上电子设备30上的各硬件设备以及计算机程序322，操作系统321可以是windows、unix、linux等。计算机程322除了包括能够用于完成前述任一实施例公开的由电子设备30执行的二氧化碳浓度测量方法的计算机程序之外，还可以进一步包括能够用于完成其他特定工作的计算机程序。
[0107]
本实施例中，所述输入输出接口34具体可以包括但不限于usb接口、硬盘读取接口、串行接口、语音输入接口、指纹输入接口等。
[0108]
进一步的，本技术实施例还公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述公开的二氧化碳浓度测量方法。
[0109]
关于该方法的具体步骤可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
[0110]
这里所说的计算机可读存储介质包括随机存取存储器(random accessmemory，ram)、内存、只读存储器(read-only memory，rom)、电可编程 rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、磁碟或者光盘或技术领域内所公知的任意其他形式的存储介质。其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述二氧化碳浓度测量方法。关于该方法的具体步骤可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
[0111]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的二氧化碳浓度测量方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0112]
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
[0113]
结合本文中所公开的实施例描述算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器 (ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程 rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
[0114]
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0115]
以上对本发明所提供的一种二氧化碳浓度测量方法、装置、设备及介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说
明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。