【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及激光雷達探測，具體涉及一種基于激光雷達的大氣二氧化碳本底濃度探測方法。
技術(shù)介紹
1、二氧化碳是大氣中主要的溫室氣體之一，其主要來源包括地幔運動、生物呼吸、海洋釋放等自然過程，以及化石燃料燃燒、水泥生產(chǎn)、土地利用變化等人為活動。至2023年，全球大氣二氧化碳濃度已超過420ppm，相比工業(yè)化前的280ppm顯著增加。大氣二氧化碳濃度的上升不僅會導(dǎo)致全球氣溫升高、海平面上升和降水分布變化等一系列生態(tài)環(huán)境問題，還會影響地-氣系統(tǒng)的輻射平衡，與全球氣候變化密切相關(guān)。因此，有必要對大氣中的二氧化碳本底進行探測，以監(jiān)控大氣中二氧化碳的含量變化。
2、大氣本底指的是全球或區(qū)域尺度內(nèi)大氣成分及其相關(guān)特性的長期平均狀態(tài)及變化特征。探測大氣中二氧化碳的本底水平，對于理解氣候變化、制定環(huán)境政策以及評估全球碳循環(huán)具有重要意義。目前，常見的二氧化碳本底探測方法包括瓶采樣、罐采樣和現(xiàn)場觀測等。瓶采樣和罐采樣通過采集空氣樣本并送往實驗室分析，氣相色譜法則通過氣相色譜儀分離并定量分析氣體中的二氧化碳，能夠提供精確的濃度數(shù)據(jù)，但由于其過程復(fù)雜且耗時，通常用于周期性背景檢測而非實時監(jiān)測。地面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)則由多個監(jiān)測站組成，提供全球或區(qū)域范圍的長期二氧化碳觀測數(shù)據(jù)，幫助分析不同地點的背景濃度差異及長期變化趨勢。
3、然而，這些傳統(tǒng)方法在空間分辨率和遠程監(jiān)測方面存在一定局限，通常僅能在特定點或小范圍內(nèi)進行測量，難以提供廣泛的空間分布數(shù)據(jù)。此外，許多傳統(tǒng)測量方法需要對樣本進行物理接觸或處理，增加了操作復(fù)雜性，并可能引入污染或干擾。p>
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于克服
技術(shù)介紹
中存在的上述缺陷或問題，提供一種基于激光雷達的大氣二氧化碳本底濃度探測方法，其可實現(xiàn)大范圍測量以提供廣泛的空間分布數(shù)據(jù)，并且不需要對樣本進行物理接觸，操作簡單無干擾。
2、為達成上述目的，本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案：
3、技術(shù)方案一：一種基于激光雷達的大氣二氧化碳本底濃度探測方法，其包括：基于激光雷達向目標大氣發(fā)射的多組具有距離分辨率的探測激光，接收對應(yīng)的回波信號；所述探測激光包括第一激光、第二激光，且第一激光對二氧化碳的吸收系數(shù)高于第二激光對二氧化碳的吸收系數(shù)；基于所述回波信號，確定不同距離下同一組探測激光的吸收系數(shù)差；基于各組探測激光對應(yīng)的所述吸收系數(shù)差，確定吸收系數(shù)差均值；基于所述吸收系數(shù)差均值，確定大氣二氧化碳本底濃度。
4、基于技術(shù)方案一的技術(shù)方案二：在計算所述吸收系數(shù)差均值之前，對各組探測激光對應(yīng)的吸收系數(shù)差進行離群值剔除處理，剔除其中離群幅度大于預(yù)設(shè)的離群閾值的吸收系數(shù)差，并以經(jīng)過離群值剔除處理后的各組探測激光對應(yīng)的吸收系數(shù)差確定吸收系數(shù)差均值。
5、基于技術(shù)方案二的技術(shù)方案三：所述離群幅度通過中位數(shù)絕對偏差法計算得到。
6、基于技術(shù)方案三的技術(shù)方案四：所述離群閾值為2.5倍至3.5倍中位數(shù)絕對偏差值的中位數(shù)。
7、基于技術(shù)方案二的技術(shù)方案五：所述探測激光中，第一激光、第二激光對目標大氣中h2o的吸收系數(shù)相同。
8、基于技術(shù)方案五的技術(shù)方案六：所述吸收系數(shù)差通過以下公式計算：
9、其中，下標on表示第一激光，下標off表示第二激光；ns為返回光子數(shù)；e為脈沖能量，單位為j；xi為激光波數(shù)，單位為cm-1；r為距離，單位為m；h為普朗克常數(shù)；η0為發(fā)射信號的光學效率；ηq為量子效率；at為望遠鏡面積，單位為m2；o(r)為距離r處的幾何重疊因子；c為光速；τ為脈沖寬度，單位為s；β為米氏體積后向散射系數(shù)，單位為m-1；tr為透過率函數(shù)；αa為氣溶膠消光系數(shù)，單位為m-1；αs為分子消光系數(shù)，表示為αs＝α+αm，其中α為二氧化碳的吸收系數(shù)，αm為目標大氣中其他分子的消光系數(shù)；i表示距離探測激光的發(fā)射點i×δr處。
10、基于技術(shù)方案六的技術(shù)方案七：所述離群幅度通過以下公式計算：
11、其中，mad為各數(shù)據(jù)點到中位數(shù)的絕對偏差值的中位數(shù)；x為數(shù)據(jù)點，其采用下標表示不同距離下的探測激光對應(yīng)的吸收系數(shù)差；k為比例因子，erfcinv為誤差函數(shù)的反函數(shù)；th為所述離群閾值；n為與離群閾值相關(guān)的倍數(shù)，其值為2.5-3.5；在進行離群值剔除處理時，若|xi-median(x)|>th，則將該數(shù)據(jù)點對應(yīng)的吸收系數(shù)差剔除。
12、基于技術(shù)方案七的技術(shù)方案八：所述大氣二氧化碳本底濃度通過以下公式計算：其中，n為分子數(shù)密度，單位為mol/cm3；為所述吸收系數(shù)差均值；σ為吸收截面，單位為cm2/mol；δσ＝σon-σoff為第一激光、第二激光的吸收截面的差值；p為大氣壓強，單位為pa；v為氣體體積，單位為m3；n為氣體的摩爾數(shù)；t為環(huán)境溫度，單位為k；r為普適氣體常數(shù)，其值為8.314j·mol-1·k-1；nair是濕空氣分子數(shù)密度，單位為mol/m3；na為阿伏伽德羅常數(shù)，其值為6.0225×1023mol-1；kb為玻爾茲曼常數(shù)，其值為1.380649×10-23j·k-1；為大氣二氧化碳本底濃度。
13、由上述對本專利技術(shù)的描述可知，相對于現(xiàn)有技術(shù)，本專利技術(shù)具有如下有益效果：
14、本專利技術(shù)提供一種基于激光雷達的大氣二氧化碳本底濃度探測方法，該探測方法采用多組具有距離分辨率的探測激光對大氣進行探測，并且探測激光包括波長不同的第一激光和第二激光，二者的區(qū)別在于第一激光對二氧化碳的吸收強于第二激光對二氧化碳的吸收，從而可通過差分吸收技術(shù)，提高回波信號的對比度，實現(xiàn)對二氧化碳吸收系數(shù)的準確計算，提高測量的精度，減少測量誤差；基于上述的回波信號，可得到在不同的距離下，每組探測激光對應(yīng)的兩個回波信號的吸收系數(shù)差，之后計算得到該些吸收系數(shù)差的吸收系數(shù)差均值，再基于吸收系數(shù)差均值計算大氣二氧化碳本底濃度。該探測方法可通過激光探測方式對目標大氣進行大范圍測量以提供廣泛的空間分布數(shù)據(jù)，并且由于采用激光探測方式，因此不需要與樣本進行物理接觸，操作簡單無干擾，可有效地提高大氣二氧化碳本底濃度探測的準確性。
15、其中，由于該探測方法可對目標大氣進行大范圍測量，導(dǎo)致容易受到探測范圍內(nèi)的二氧化碳源匯區(qū)域的影響，使得最終測得的大氣二氧化碳本底濃度失準。為此，本專利技術(shù)提供的探測方法中，進一步地對各組探測激光對應(yīng)的吸收系數(shù)差進行離群值剔除處理，經(jīng)過離群值剔除處理后，可將其中受到影響的數(shù)據(jù)點剔除，減少該些數(shù)據(jù)對整體測量的影響。
16、在進行離群值剔除處理時，可通過中位數(shù)絕對偏差法計算得到離群幅度，并將該離群幅度與預(yù)設(shè)的離群閾值進行比較，若是離群幅度大于預(yù)設(shè)的離群閾值，則說明該數(shù)據(jù)點存在異常情況，需要將該數(shù)據(jù)點剔除，最終進行吸收系數(shù)差均值計算的數(shù)據(jù)中，僅會包括離群幅度小于或等于預(yù)設(shè)的離群閾值的數(shù)據(jù)，基于該些處理后的數(shù)據(jù)得到的吸收系數(shù)差均值，能夠更為貼合目標大氣中二氧化碳本底濃度的實際情況，排除了目標大氣中二氧化碳源匯區(qū)域的影響。
17、其中，離群幅度可通過中位數(shù)絕對偏差法計算得到，離群閾值設(shè)置為2.本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種基于激光雷達的大氣二氧化碳本底濃度探測方法，其特征是，包括：
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于激光雷達的大氣二氧化碳本底濃度探測方法，其特征是，在計算所述吸收系數(shù)差均值之前，對各組探測激光對應(yīng)的吸收系數(shù)差進行離群值剔除處理，剔除其中離群幅度大于預(yù)設(shè)的離群閾值的吸收系數(shù)差，并以經(jīng)過離群值剔除處理后的各組探測激光對應(yīng)的吸收系數(shù)差確定吸收系數(shù)差均值。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于激光雷達的大氣二氧化碳本底濃度探測方法，其特征是，所述離群幅度通過中位數(shù)絕對偏差法計算得到。
4.如權(quán)利要求3所述的一種基于激光雷達的大氣二氧化碳本底濃度探測方法，其特征是，所述離群閾值為2.5倍至3.5倍中位數(shù)絕對偏差值的中位數(shù)。
5.如權(quán)利要求2所述的一種基于激光雷達的大氣二氧化碳本底濃度探測方法，其特征是，所述探測激光中，第一激光、第二激光對目標大氣中H2O的吸收系數(shù)相同。
6.如權(quán)利要求5所述的一種基于激光雷達的大氣二氧化碳本底濃度探測方法，其特征是，所述吸收系數(shù)差通過以下公式計算：
7.如權(quán)利要求6所述的一種基于激光雷達的
8.如權(quán)利要求7所述的一種基于激光雷達的大氣二氧化碳本底濃度探測方法，其特征是，所述大氣二氧化碳本底濃度通過以下公式計算：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于激光雷達的大氣二氧化碳本底濃度探測方法，其特征是，包括：
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于激光雷達的大氣二氧化碳本底濃度探測方法，其特征是，在計算所述吸收系數(shù)差均值之前，對各組探測激光對應(yīng)的吸收系數(shù)差進行離群值剔除處理，剔除其中離群幅度大于預(yù)設(shè)的離群閾值的吸收系數(shù)差，并以經(jīng)過離群值剔除處理后的各組探測激光對應(yīng)的吸收系數(shù)差確定吸收系數(shù)差均值。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于激光雷達的大氣二氧化碳本底濃度探測方法，其特征是，所述離群幅度通過中位數(shù)絕對偏差法計算得到。
4.如權(quán)利要求3所述的一種基于激光雷達的大氣二氧化碳本底濃度探測方法，其特征是，所述離...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：上官明佳，林斯敏，郭曉婭，方晉賢，
申請(專利權(quán))人：廈門大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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