基于差分吸收激光雷達系統(tǒng)的信號融合研究.pdf

1、18世紀60年代以來，工業(yè)革命的快速發(fā)展，導致化石燃料的使用量急劇增長，加之人類活動致使森林的退化，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對熱紅外波段的地面輻射和紅外、紫外波段的太陽輻射都具有強吸收作用，是一種正輻射強迫因子，該性質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性，因此，科學家們認定C

2、O2是造成全球氣溫上升、導致全球氣候變化和極端天氣的關鍵因素。中國為了應對氣候變暖帶來的風險，大力發(fā)展精準探測大氣中CO2濃度變化技術，為后期出臺的相關低碳政策提供科學依據和保障。
　　到目前為止，大氣中CO2濃度探測可以分為兩種方法。一種是主動式測量，另外一種是被動式測量。被動遙感指的是系統(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）發(fā)射出的電磁波信息。雖然其

3、探測方式有多種，但其受限于各種外在條件和內在的缺陷，導致無法得到高精度的探測結果。主動遙感指的是系統(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物發(fā)射特定波長的激光，激光在遇到目標物之后，經過散射、反射等作用傳回回波信號，再由傳感器接收和記錄這種回波信號的測量系統(tǒng)。大氣中CO2濃度主動式探測方法以差分吸收激光雷達(differential absorption lidar,DIAL)為主，其具備高精度探測、受外界環(huán)境影響小、激光光束

4、能量穩(wěn)定性強等優(yōu)勢。
　　本文的研究依托于一臺地基CO2-DIAL，主要探測低空（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測量CO2濃度信息的過程中，接收系統(tǒng)采集回波信號主要有兩種形式，一種是模擬采集模式（Analog Signal），一種是光子計數(shù)采集模式（Photon counting Signal）。光子計數(shù)信號主要用于微弱信號的探測，具有很好的噪聲抑制性能，所以光子計數(shù)信號的信噪比比模擬信號好。然而，

5、由于低空回波信號強，低空的（低于1000米）光子計數(shù)信號會出現(xiàn)飽和效應，所以低空的光子計數(shù)信號是無效的。模擬信號主要用于強信號的探測，其高空（高于1800米）信號的信噪比很低，往往埋沒在噪聲中，所以模擬信號的高空信號是不可用的。因此，必須將模擬信號和光子信號融合才能反演計算得到低空大氣中CO2的連續(xù)柱濃度信息。
　　根據上述問題，本文進行了調研和研究。很多學者已經對雷達回波信號融合問題進行了研究，但是由于各種原因的限制（拼接區(qū)間選

6、擇、信號非線性等），這些研究并不適用于地基CO2-DIAL的回波信號融合，所以針對該DIAL的CO2探測回波信號特征，提出使用最佳一致逼近多項式理論對其回波信號進行處理。首先，經過仿真實驗處理，證明了所提出方法的可行性和適用性；然后，在實測信號的分析、討論中，與Licel信號采集系統(tǒng)的信號融合方法進行對比，進一步證實了本文所提出方法的優(yōu)勢；最后，將融合信號反演計算得到的低空大氣中CO2柱濃度信息與原位（in-situ）測量（EC9820