本發(fā)明涉及氣體濃度檢測(cè)，具體涉及一種基于吸收光譜激光雷達(dá)的多組分氣體濃度和溫度探測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、大氣氣體濃度探測(cè)具有重要的環(huán)境、健康和科學(xué)意義。首先，通過探測(cè)大氣中的氣體濃度，我們可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)有害氣體的存在，從而采取有效措施保護(hù)公眾健康，減少空氣污染對(duì)人類的危害。其次，氣體濃度探測(cè)對(duì)氣候變化的研究至關(guān)重要。通過測(cè)量溫室氣體如二氧化碳(co2)、甲烷(ch4)等的濃度，可以幫助科學(xué)家理解大氣中這些氣體的變化趨勢(shì)，并預(yù)測(cè)其對(duì)全球氣候的影響。此外，氣體濃度探測(cè)還可以用于工業(yè)排放監(jiān)控、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的氣體管理，以及城市規(guī)劃和管理中的空氣質(zhì)量評(píng)估。

2、其中，對(duì)溫室氣體的探測(cè)至關(guān)重要。以co2為例，截至2023年，全球大氣co2平均濃度已超過420ppm，較工業(yè)化前的280ppm顯著增加。研究表明，co2濃度每增加100ppm，地球表面溫度就會(huì)上升約1.5℃。co2濃度增加會(huì)導(dǎo)致全球變暖、海洋酸化(自工業(yè)革命以來海洋表面ph值下降了約0.1)以及生物多樣性喪失，還會(huì)對(duì)人類健康構(gòu)成威脅。

3、現(xiàn)有的氣體濃度探測(cè)手段包括化學(xué)傳感器、電化學(xué)傳感器、紅外光譜分析、質(zhì)譜分析和氣相色譜等，這些技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制和科學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用?；瘜W(xué)和電化學(xué)傳感器通過化學(xué)反應(yīng)檢測(cè)氣體濃度，適用于便攜式設(shè)備和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；紅外光譜分析基于氣體對(duì)紅外光的吸收特性，可檢測(cè)多種氣體；質(zhì)譜分析和氣相色譜則通過分離和分析氣體樣品的不同組分，提供高度精確的濃度數(shù)據(jù)。

4、然而，這些傳統(tǒng)手段在空間分辨率和遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)方面存在一定的局限性。相比之下，使用激光雷達(dá)進(jìn)行氣體濃度探測(cè)具有顯著優(yōu)勢(shì)。激光雷達(dá)通過發(fā)射和接收激光束，與大氣中的氣體分子發(fā)生相互作用，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、高精度的氣體濃度探測(cè)。其優(yōu)勢(shì)在于可以遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)，并具備三維成像能力，能夠提供實(shí)時(shí)的空間分布數(shù)據(jù)，尤其適合于復(fù)雜環(huán)境中的氣體監(jiān)測(cè)，如工業(yè)排放、城市空氣質(zhì)量監(jiān)控和溫室氣體排放研究。此外，激光雷達(dá)技術(shù)的高靈敏度和選擇性使其能夠精確測(cè)量低濃度氣體，為科學(xué)研究和環(huán)境保護(hù)提供了更為強(qiáng)大的工具。

5、激光雷達(dá)技術(shù)在測(cè)量大氣中co2等氣體濃度時(shí)表現(xiàn)出色，但現(xiàn)有技術(shù)難以同時(shí)準(zhǔn)確地獲取氣體濃度和溫度信息。無論是使用雙波長(zhǎng)差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)還是多波長(zhǎng)激光雷達(dá)系統(tǒng)，將激光雷達(dá)探測(cè)到的co2吸收系數(shù)轉(zhuǎn)換為co2濃度都需要已知的溫度和壓力數(shù)據(jù)。這意味著，雖然激光雷達(dá)可以提供高時(shí)空分辨率的濃度信息，但在沒有同步的溫度和壓力數(shù)據(jù)的情況下，濃度測(cè)量的準(zhǔn)確性會(huì)受到影響。目前的探測(cè)方法中，溫度和壓力數(shù)據(jù)主要來源于無線電探空儀或模型，使用這些非實(shí)時(shí)和非原位數(shù)據(jù)進(jìn)行co2濃度反演時(shí)會(huì)導(dǎo)致co2濃度反演的誤差。

6、因此，亟需一種能夠在激光雷達(dá)探測(cè)過程中對(duì)氣體濃度和溫度進(jìn)行同步測(cè)量的方法，以解決上述的因溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性低導(dǎo)致的氣體濃度反演誤差的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服背景技術(shù)中存在的上述缺陷或問題，提供一種基于吸收光譜激光雷達(dá)的多組分氣體濃度和溫度探測(cè)方法，其能夠改善因溫度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性低導(dǎo)致的氣體濃度反演誤差的問題。

2、為達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、技術(shù)方案一：一種基于吸收光譜激光雷達(dá)的多組分氣體濃度和溫度探測(cè)方法，所述吸收光譜由激光雷達(dá)發(fā)射探測(cè)激光后接收對(duì)應(yīng)回波信號(hào)并處理后繪制而成，所述檢測(cè)方法的特征是，包括：根據(jù)待測(cè)氣體成分，在所述吸收光譜中選取包括多種氣體同位素吸收峰的波段，得到吸收系數(shù)圖；對(duì)所述吸收系數(shù)圖進(jìn)行分解，得到多個(gè)與待測(cè)氣體相關(guān)的吸收峰和背景曲線，且所述背景曲線適于通過基礎(chǔ)函數(shù)擬合；根據(jù)分解后的吸收峰數(shù)量和背景曲線形態(tài)，以多個(gè)洛倫茲函數(shù)和與背景曲線對(duì)應(yīng)的背景函數(shù)為單元，整合形成擬合模型；根據(jù)各洛倫茲函數(shù)參數(shù)間關(guān)系，簡(jiǎn)化擬合模型中的洛倫茲函數(shù)參數(shù)，同時(shí)根據(jù)背景函數(shù)的回歸情況，簡(jiǎn)化擬合模型中的背景函數(shù)參數(shù)，得到簡(jiǎn)化模型；在所述吸收系數(shù)圖中選取多個(gè)采樣點(diǎn)，并基于采樣點(diǎn)通過所述簡(jiǎn)化模型進(jìn)行擬合；確定吸收系數(shù)圖中主吸收峰的半高半寬與溫度的關(guān)系，基于擬合結(jié)果反演溫度，并據(jù)此反演得到待測(cè)氣體的濃度；以每次反演結(jié)果為輸入，重新對(duì)所述擬合模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并根據(jù)重新簡(jiǎn)化后的簡(jiǎn)化模型再次進(jìn)行擬合，多次迭代直至擬合結(jié)果穩(wěn)定，并以穩(wěn)定后的擬合結(jié)果反演溫度，并參照溫度反演待測(cè)氣體的濃度。

4、基于技術(shù)方案一的技術(shù)方案二：在建立所述背景曲線對(duì)應(yīng)的背景函數(shù)時(shí)，采用的基礎(chǔ)函數(shù)包括但不限于一次函數(shù)、二次函數(shù)。

5、基于技術(shù)方案一的技術(shù)方案三：對(duì)所述擬合模型中參數(shù)的簡(jiǎn)化包括：將洛倫茲函數(shù)中的中心波數(shù)設(shè)為常數(shù)；建立對(duì)應(yīng)不同種氣體吸收峰的洛倫茲函數(shù)中半高半寬與溫度的變化關(guān)系，據(jù)此確定各個(gè)洛倫茲函數(shù)中半高半寬的比值關(guān)系，并以其中主吸收峰的洛倫茲函數(shù)的半高半寬為基礎(chǔ)，參照比值關(guān)系表示其他洛倫茲函數(shù)的半高半寬；根據(jù)同一種氣體吸收峰的洛倫茲函數(shù)中面積的比值關(guān)系，以其中一個(gè)洛倫茲函數(shù)的面積為基礎(chǔ)，參照比值關(guān)系表示同屬于一種氣體的其他吸收峰的洛倫茲函數(shù)的面積，并以同樣方式表示其他種氣體的吸收峰的洛倫茲函數(shù)的面積。

6、基于技術(shù)方案一的技術(shù)方案四：在所述吸收系數(shù)圖中選取的采樣點(diǎn)適于描述待測(cè)氣體的吸收峰以及背景曲線的形狀，選取的采樣點(diǎn)包括但不限于：分解后的每一吸收峰的中心波數(shù)處的點(diǎn)，分解后的每一吸收峰的半高半寬對(duì)應(yīng)位置的點(diǎn)，吸收系數(shù)圖的最高位置的點(diǎn)，以及吸收系數(shù)圖兩翼的點(diǎn)。

7、基于技術(shù)方案一的技術(shù)方案五：在根據(jù)所述采樣點(diǎn)進(jìn)行擬合時(shí)，在所述吸收系數(shù)圖中確定參考點(diǎn)，并基于參考點(diǎn)計(jì)算其他采樣點(diǎn)的單位光學(xué)深度。

8、基于技術(shù)方案一的技術(shù)方案六：在根據(jù)所述采樣點(diǎn)進(jìn)行擬合時(shí)，基于激光探測(cè)時(shí)的環(huán)境參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)化模型的初值，并以該初值結(jié)合所述采樣點(diǎn)進(jìn)行擬合。

9、基于技術(shù)方案一的技術(shù)方案七：在反演獲得待測(cè)氣體的濃度和溫度時(shí)，以分解后的每一吸收峰的洛倫茲函數(shù)的面積反演氣體濃度。

10、由上述對(duì)本發(fā)明的描述可知，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：

11、本發(fā)明提供一種基于吸收光譜激光雷達(dá)的多組分氣體濃度和溫度探測(cè)方法，該檢測(cè)方法對(duì)吸收系數(shù)圖進(jìn)行分解得到多個(gè)吸收峰和背景曲線，分解的原則是使背景曲線能夠通過基礎(chǔ)函數(shù)擬合，從而得到與吸收峰對(duì)應(yīng)的洛倫茲函數(shù)和與背景曲線對(duì)應(yīng)的背景函數(shù)，將這些函數(shù)整合即可得到擬合模型，該擬合模型具有較高的精度；之后對(duì)該擬合模型的參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，減少需要擬合的參數(shù)，從而降低擬合的誤差；之后將得到的簡(jiǎn)化模型基于采樣點(diǎn)進(jìn)行擬合，同時(shí)確定吸收系數(shù)圖中主吸收峰的半高半寬與溫度的關(guān)系，基于擬合結(jié)果即可反演得到溫度，再根據(jù)溫度和擬合結(jié)果反演得到待測(cè)氣體的濃度，之后通過多次的迭代反演，提高反演結(jié)果的準(zhǔn)確度。其中，在對(duì)吸收系數(shù)圖進(jìn)行處理的過程中，同步地確定了溫度，無需再通過外部技術(shù)手段對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，提高了溫度測(cè)量的實(shí)時(shí)性，可根據(jù)該確定的溫度對(duì)待測(cè)氣體的濃度進(jìn)行準(zhǔn)確地計(jì)算，提高待測(cè)氣體濃度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

技術(shù)特征：

1.一種基于吸收光譜激光雷達(dá)的多組分氣體濃度和溫度探測(cè)方法，所述吸收光譜由激光雷達(dá)發(fā)射探測(cè)激光后接收對(duì)應(yīng)回波信號(hào)繪制而成，所述檢測(cè)方法的特征是，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的一種基于吸收光譜激光雷達(dá)的多組分氣體濃度和溫度探測(cè)方法，其特征是，在建立所述背景曲線對(duì)應(yīng)的背景函數(shù)時(shí)，采用的基礎(chǔ)函數(shù)包括但不限于一次函數(shù)、二次函數(shù)。

3.如權(quán)利要求1所述的一種基于吸收光譜激光雷達(dá)的多組分氣體濃度和溫度探測(cè)方法，其特征是，對(duì)所述擬合模型中參數(shù)的簡(jiǎn)化包括：

4.如權(quán)利要求1所述的一種基于吸收光譜激光雷達(dá)的多組分氣體濃度和溫度探測(cè)方法，其特征是，在所述吸收系數(shù)圖中選取的采樣點(diǎn)適于描述待測(cè)氣體的吸收峰以及背景曲線的形狀，選取的采樣點(diǎn)包括但不限于：分解后的每一吸收峰的中心波數(shù)處的點(diǎn)，分解后的每一吸收峰的半高半寬對(duì)應(yīng)位置的點(diǎn)，吸收系數(shù)圖的最高位置的點(diǎn)，以及吸收系數(shù)圖兩翼的點(diǎn)。

5.如權(quán)利要求1所述的一種基于吸收光譜激光雷達(dá)的多組分氣體濃度和溫度探測(cè)方法，其特征是，在根據(jù)所述采樣點(diǎn)進(jìn)行擬合時(shí)，在所述吸收系數(shù)圖中確定參考點(diǎn)，并基于參考點(diǎn)計(jì)算其他采樣點(diǎn)的單位光學(xué)深度。

6.如權(quán)利要求1所述的一種基于吸收光譜激光雷達(dá)的多組分氣體濃度和溫度探測(cè)方法，其特征是，在根據(jù)所述采樣點(diǎn)進(jìn)行擬合時(shí)，基于激光探測(cè)時(shí)的環(huán)境參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)化模型的初值，并以該初值結(jié)合所述采樣點(diǎn)進(jìn)行擬合。

7.如權(quán)利要求1所述的一種基于吸收光譜激光雷達(dá)的多組分氣體濃度和溫度探測(cè)方法，其特征是，在反演獲得待測(cè)氣體的濃度和溫度時(shí)，以分解后的每一吸收峰的洛倫茲函數(shù)的面積反演氣體濃度。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于吸收光譜激光雷達(dá)的多組分氣體濃度和溫度探測(cè)方法，該檢測(cè)方法對(duì)吸收系數(shù)圖進(jìn)行分解得到多個(gè)吸收峰和背景曲線，使背景曲線能夠通過基礎(chǔ)函數(shù)擬合，從而得到與吸收峰對(duì)應(yīng)的洛倫茲函數(shù)和與背景曲線對(duì)應(yīng)的背景函數(shù)，將這些函數(shù)整合即可得到擬合模型；對(duì)該擬合模型的參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化；將得到的簡(jiǎn)化模型基于采樣點(diǎn)進(jìn)行擬合，確定吸收系數(shù)圖中主吸收峰的半高半寬與溫度的關(guān)系，基于擬合結(jié)果即可反演得到溫度，再根據(jù)溫度和擬合結(jié)果反演得到待測(cè)氣體的濃度；在對(duì)吸收系數(shù)圖進(jìn)行處理的過程中，同步確定了溫度，無需通過外部技術(shù)手段對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，提高了溫度測(cè)量的實(shí)時(shí)性，并提高了待測(cè)氣體濃度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

技術(shù)研發(fā)人員：郭曉婭,林斯敏,上官明佳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廈門大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10