基于差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)融合研究.pdf

1、18世紀(jì)60年代以來(lái)，工業(yè)革命的快速發(fā)展，導(dǎo)致化石燃料的使用量急劇增長(zhǎng)，加之人類活動(dòng)致使森林的退化，造成了大量禁錮在巖石圈和生物圈中的碳資源主要以二氧化碳（CO2）的形式被釋放到大氣中，從而破壞了地球上原本穩(wěn)定的碳循環(huán)系統(tǒng)。CO2對(duì)熱紅外波段的地面輻射和紅外、紫外波段的太陽(yáng)輻射都具有強(qiáng)吸收作用，是一種正輻射強(qiáng)迫因子，該性質(zhì)決定了它是一種溫室氣體。有研究表明，全球平均溫度的上升和大氣中CO2濃度的增加有非常大的相關(guān)性，因此，科學(xué)家們認(rèn)定C

2、O2是造成全球氣溫上升、導(dǎo)致全球氣候變化和極端天氣的關(guān)鍵因素。中國(guó)為了應(yīng)對(duì)氣候變暖帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，大力發(fā)展精準(zhǔn)探測(cè)大氣中CO2濃度變化技術(shù)，為后期出臺(tái)的相關(guān)低碳政策提供科學(xué)依據(jù)和保障。
　　到目前為止，大氣中CO2濃度探測(cè)可以分為兩種方法。一種是主動(dòng)式測(cè)量，另外一種是被動(dòng)式測(cè)量。被動(dòng)遙感指的是系統(tǒng)本身并沒有輻射源，主要由傳感器接收和記錄大氣層中的物質(zhì)本身由于熱輻射而發(fā)射出的電磁波信息或其他自然輻射源（如太陽(yáng)）發(fā)射出的電磁波信息。雖然其

3、探測(cè)方式有多種，但其受限于各種外在條件和內(nèi)在的缺陷，導(dǎo)致無(wú)法得到高精度的探測(cè)結(jié)果。主動(dòng)遙感指的是系統(tǒng)本身安裝有輻射源，然后通過系統(tǒng)自帶的輻射源向目標(biāo)物發(fā)射特定波長(zhǎng)的激光，激光在遇到目標(biāo)物之后，經(jīng)過散射、反射等作用傳回回波信號(hào)，再由傳感器接收和記錄這種回波信號(hào)的測(cè)量系統(tǒng)。大氣中CO2濃度主動(dòng)式探測(cè)方法以差分吸收激光雷達(dá)(differential absorption lidar,DIAL)為主，其具備高精度探測(cè)、受外界環(huán)境影響小、激光光束

4、能量穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。
　　本文的研究依托于一臺(tái)地基CO2-DIAL，主要探測(cè)低空（低于3000米）大氣中二氧化碳柱濃度信息。利用差分吸收激光雷達(dá)測(cè)量CO2濃度信息的過程中，接收系統(tǒng)采集回波信號(hào)主要有兩種形式，一種是模擬采集模式（Analog Signal），一種是光子計(jì)數(shù)采集模式（Photon counting Signal）。光子計(jì)數(shù)信號(hào)主要用于微弱信號(hào)的探測(cè)，具有很好的噪聲抑制性能，所以光子計(jì)數(shù)信號(hào)的信噪比比模擬信號(hào)好。然而，

5、由于低空回波信號(hào)強(qiáng)，低空的（低于1000米）光子計(jì)數(shù)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)飽和效應(yīng)，所以低空的光子計(jì)數(shù)信號(hào)是無(wú)效的。模擬信號(hào)主要用于強(qiáng)信號(hào)的探測(cè)，其高空（高于1800米）信號(hào)的信噪比很低，往往埋沒在噪聲中，所以模擬信號(hào)的高空信號(hào)是不可用的。因此，必須將模擬信號(hào)和光子信號(hào)融合才能反演計(jì)算得到低空大氣中CO2的連續(xù)柱濃度信息。
　　根據(jù)上述問題，本文進(jìn)行了調(diào)研和研究。很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)融合問題進(jìn)行了研究，但是由于各種原因的限制（拼接區(qū)間選

6、擇、信號(hào)非線性等），這些研究并不適用于地基CO2-DIAL的回波信號(hào)融合，所以針對(duì)該DIAL的CO2探測(cè)回波信號(hào)特征，提出使用最佳一致逼近多項(xiàng)式理論對(duì)其回波信號(hào)進(jìn)行處理。首先，經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)處理，證明了所提出方法的可行性和適用性；然后，在實(shí)測(cè)信號(hào)的分析、討論中，與Licel信號(hào)采集系統(tǒng)的信號(hào)融合方法進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步證實(shí)了本文所提出方法的優(yōu)勢(shì)；最后，將融合信號(hào)反演計(jì)算得到的低空大氣中CO2柱濃度信息與原位（in-situ）測(cè)量（EC9820