基于宽谱多波段激光雷达的高精度大气CO2浓度探测方法研究

For detecting and monitoring the atmosphere CO2 concentration, a new and high precision detecting method is proposed. Now, there are two kind technology in detecting and monitoring the atmosphere CO2 concentration. One is the passive technology, and the other is initiative technology. But the passive technology of detecting the atmosphere CO2 concentration can be compromised by surface albedo, water vapor and atmosphere aerosol. And for the initiative technology, the detecting laser spectrum is narrew, the received signal data is little, the measurement precision is low, and can not detect multi-spots at the same time. For correcting these disadvantage in detecting the atmosphere CO2 concentration, a new and high precision atmosphere CO2 concentration detecting method is proposed. This method can use superluminescent light emitting diode (SLED) and Fabry-Perot etalon to build a wide-spectrum and multi-wavelength lidar system, and use this system to detecting and monitoring the atmosphere CO2 concentration. In this method, it uses the SLED as the detecting laser source. The spectrum of SLED is much wider than the differential absorption lidar, and it has no use for high frequency locking technology. Also, this technology can detect multi-spots in the atmosphere CO2 absorption spectrum at the same time. At these results, it can use in the aircraft and satellite efficiently not as the scaning frequency lidar technology. The spectrum of Fabry-Perot etalon can adjust to similar with the atmosphere CO2 absorption spectrum, so using the Fabry-Perot etalon as the detector it can detect the atmosphere CO2 concentration in high precision.This study plans to use some simple technology and some mature implement for accelerating the development of the atmosphere CO2 concentration detecting lidar technology. It can provide the technology and the method for the development about the high precision CO2 concentration detecting lidar in China in the future.

本项目以大气中CO2浓度监测为研究背景，提出一种新的高精度CO2浓度探测方法。该方法针对现有大气CO2浓度被动探测方法存在回波信号弱，易受到下垫面返照、水汽和气溶胶等因素影响的缺点和现有主动探测方法存在探测激光光谱窄，获取数据少，以及不能同时测量多个点的缺点，利用超辐射发光二极管（SLED）和F-P标准具来实现一种基于宽谱多波段激光雷达的高精度大气CO2浓度探测方法。该方法采用SLED做为探测光源，其光谱范围远大于普通差分吸收激光雷达的光谱范围，而且不需要较高的锁频技术，能够在同一时刻检测CO2吸收谱线上多个点，可以有效应用于机载和星载平台。另外，采用F-P标准具做为检测器，利用F-P标准具梳状边缘能调整到与大气CO2吸收谱线相匹配的原理，能有效提取CO2吸收信号。本项目拟以较简单的技术和器件来推动大气CO2激光雷达探测技术的发展，为中国今后开发自己的高精度大气CO2激光雷达提供技术储备。

本项目以大气中CO2浓度监测为研究背景，提出一种新的高精度CO2浓度探测方法。该方法采用超辐射发光二极管（SLED）做为探测光源，其光谱范围远大于普通差分吸收激光雷达的光谱范围，而且不需要较高的锁频技术，可以有效应用于机载和星载平台。另外，采用F-P标准具做为检测器，利用F-P标准具梳状边缘能调整到与大气CO2吸收谱线相匹配的原理，能有效提取CO2吸收信号。本项目拟以较简单的技术和器件来推动大气CO2激光雷达探测技术的发展，为中国今后开发自己的高精度大气CO2激光雷达提供技术储备。.本项目主要研究内容如下：（1）大气中CO2超精细吸收谱线的分析研究；（2）宽谱多波段激光雷达探测系统的单元及集成技术研究；（3）基于宽谱多波段激光雷达的大气CO2浓度反演方法研究；（4）基于宽谱多波段激光雷达的大气CO2浓度探测新技术的验证。.本项目首先构建了大气CO2精密吸收谱线数据库，利用该数据库完成大气CO2吸收谱线的最优选取，以此确定了激光光源的中心波长和光谱范围，以及F-P标准具的自由光谱范围和细度等相关参数。其次，以超辐射发光二极管（SLED）和掺饵光纤放大器（EDFA）为主，构建了主动激光雷达发射系统，以F-P标准具和铟镓砷PIN光电二极管为主构建了红外信号检测系统，以长光程气体吸收池来模拟大气传输光路。接着，提出了基于Fabry-Perot标准具检测大气CO2浓度的主动激光雷达探测反演算法。最后，将各个子系统在实验室集成，完成主动激光雷达探测系统对CO2浓度的实验室初步测量，验证了该探测方法的可行性。.本项目设计研制的SLED激光源的光谱中心波长位于1571nm附近，其光谱覆盖了1564nm-1577nm的范围，能够产生大约0.9mw的宽谱红外激光，经过放大最终能够产生大约2w左右的宽谱红外激光，满足实际大气CO2浓度探测的需要。在实验室探测中，针对500ppm、1个标准大气压的测试用CO2，该探测系统测量的CO2浓度约为456ppm，测量误差约为：8.8%。. 本项目采用主动探测技术来进行大气CO2浓度的检测，利用现有应用较为广泛的激光雷达技术和比较成熟的光通信元器件（SLED＋EDFA），来构建基于宽谱多波段激光雷达的高精度大气CO2浓度探测系统，实现以较简单的技术和器件来推动大气CO2激光雷达探测技术发展的目标。