ASCENDS项目中机载激光雷达探测二氧化碳以及高空3-13km的机载探测实验外文翻译资料

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ASCENDS项目中机载激光雷达探测二氧化碳以及高空3-13km的机载探测实验

J. B. Abshire, H. Riris 1, G. R. Allan , C. Weaver , J. Mao, X. Sun , and W. Hasselbrack

NASA - Goddard, Mail Code 690, Greenbelt, MD, USA, james.b.abshire@nasa.gov

Sigma Space Inc., Greenbelt MD 20771 USA, graham.r.allan@nasa.gov, william.hasselbrack@nasa.gov

GEST, NASA Goddard, Code 613.3, Greenbelt MD 20771 USA, cweaver@gmail.com, jianping.mao@nasa.gov

摘要

我们开发了一种用于测量对流层二氧化碳浓度的脉冲激光雷达技术，作为美国宇航局的ASCENDS太空探测二氧化碳任务的候选技术，机载激光雷达被用于探测不同高度的二氧化碳。2009年，我们在3-13公里高度的一系列飞行中测量了大气CO₂垂直吸收情况和光谱线形。

1 介绍

美国NRC地球科学年代际调查建提出了一项基于轨道激光的二氧化碳测量任务，称为ASCENDS。我们开发了一种激光技术作为遥感测量轨道的对流层CO₂浓度的候选技术。 我们的初步目标是展示一种激光雷达技术和仪器技术，该技术将允许在典型表面和实际大气散射条件下测量飞行器对流层低二氧化碳柱的丰度。

2 方法

我们的ASCENDS方法，如图1所示，是使用1570nm波段和脉冲双通道激光吸收光谱仪，以一种DIAL（差分吸收激光雷达）使用高度计探测（IPDA）的模式。它从近极轨道连续地测量最低点。图2中所示的1570 nm波段非常适合CO₂的测量，它基本上没有干扰，该吸收线具有所需的强度和温度不敏感性[1]，并且可以通过合适的高功率激光器和敏感的光子计数探测器获取数据。

我们已经开发出用于该测量的波长步进激光雷达技术。它使用两个脉冲激光发射器，可同时测量1570nm波段的CO₂吸收谱线，氧气A波段的O₂消光[2]以及地表高度和后向散射，激光雷达测量从大气和地表反射的激光回波的能量和飞行时间。在测量过程中，激光在一条CO₂吸收谱线和一对O₂吸收谱线上快速且精确地以波长步进。直接检测接收器使用的是光子计数探测器，还测量两种波长下大气和地表的背景光和激光后向散射廓线。

图1 空基二氧化碳激光探测器的探测原理

图2 蓝色表示双程1570nm二氧化碳大气吸收带（HITRAN计算得到），红色表示水汽吸收

根据IPDA（路径积分差分吸收激光雷达）技术得到的on-line和off-line信号的比值，可以估算CO₂和O₂气体的气体消光和柱密度。时间选通用于隔离来自于地表的激光回波信号，并抑制激光光子在大气中的散射。激光脉冲的飞行时间也用于估计散射表面的高度并识别混合云和地面散射的情况。使用多个波长采样试验可以更准确地估算仪器响应，并能得到对流层中部的CO₂加权廓线。

3 机载激光雷达

我们开发了一种机载激光雷达，用于演示NASA Glenn Lear-25飞机的CO₂柱测量，飞机和探测仪器如图3所示。

图3 NASA Glenn Lear-25飞机和CO2探测激光雷达的内部，白色接收器望远镜安装在飞机的最低点光学窗组件上。

激光器采用MOPA架构，单频DFB二极管激光器，脉冲AOM调制器，商用EDFA光纤放大器。机载激光雷达将二极管激光器的波长设定在选定的二氧化碳谱线上，每次扫描谱线上的20个波段。图4显示了激光波长步进方法的草图。时间分辨激光后向散射由接收器望远镜收集，由商业光电倍增管检测，并由光子计数多通道标量和计算机记录。激光雷达参数总结在表1中。

我们在2008年秋季第一次进行了机载CO₂柱测量，在各种陆地和水面以及透过薄云进行了激光后向散射和吸收的测量。在美国能源部的SGP ARM站点上方以3-8公里的高度进行了两次飞行试验，随着海拔高度增加二氧化碳的谱线吸收量是显而易见的。与现场测量结果的比较表明能达到6 ppm，但是它们的质量受到飞机最低点窗口引起的标准具条纹的限制。

表1 机载脉冲二氧化碳激光雷达的参数

图4 激光脉冲、波长步进方法以及CO2谱线形状

4 2009年的空基测量

在2009年春季，我们改进了飞机的最低点窗口，在7月和8月期间，我们做了9次增加了2小时的飞行试验，并测量了大气中的二氧化碳吸收和谱线形状，这次探测是在伊利诺伊州、内布拉斯加州、SGP ARM站点以及北卡罗来纳州和弗吉尼亚州东部切萨皮克湾附近的各种地表类型的3-13公里的高度进行的。在所有海拔高度都观察到强烈的激光信号和清晰的CO₂谱线线形，并且通过薄而破碎的云进行了一些测量。在ARM站点，NC和VA上空，NASA LaRC UC-12进行了现场飞行观测。SGP ARM和东海岸航班相互配合，使LaRC UC-12飞机上的NASA LaRC / ITT二氧化碳激光雷达进行观测试验，SGP ARM飞行过程还涉及Twin otter飞机的JPL二氧化碳激光雷达。

图5（左） - 来自激光雷达发射器的1us宽激光脉冲形状。（中）典型的单个累积脉冲形状，由地面回波测量得到，具有1s的累积时间，来自光子计数接收器，具有8ns时间间隔。 （右）通过2层薄云测量的原始（未校正）记录的后向散射廓线的示例，它显示了每个发射脉冲的3个时间位移回波脉冲和到达地面和中层云层的CO2柱吸收。

图6 北卡罗来纳州北部上空的1572.33 nm波长二氧化碳谱线的飞行模式和不同样本观测。左图：地图上的“领结”飞行模式。高度变化在一个领结的弯曲部分。中心顶图：高度飞行历史，显示飞机高度从4.9到12.9公里。其他图：在给定高度测量的二氧化碳吸收谱线形状（黑点）和橙色线显示CO₂谱形。

图7 初步分析图6所示样本飞行的1572.33 nm CO₂谱线形状。左上图：不同高度的CO₂谱线透过率与波长的关系。 左下图：计算的CO₂光学厚度与波长的关系图。右图：CO₂吸收的平均光学厚度（蓝色，上部分）与高度的关系。根据LaRC飞机的原位传感器计算得出的CO₂柱密度与海拔高度的关系（红线，下部分）。

5 抽样试验结果

对2009年飞行测量的分析还在继续[3]。到目前为止，它们显示平均信号水平遵循预测值[4]，并且测高测量具有约3米的不确定性[5]。图5显示了激光脉冲的形状，以及来自地面的典型回波脉冲，它还显示了透过两层云层进行波长扫描记录的后向散射廓线，展示了回波脉冲和到达中间云顶和到达地面的CO₂吸收谱线。

图6显示了北卡罗来纳州上的航班CO₂谱线的飞行模式和样本测量的概要。它还显示了飞行的历史高度和高度梯级。该图显示了在不变的高度阶级测量的CO₂吸收谱线形状，以及通过测量拟合的CO₂谱线形状。图7展示了图6中所示飞行的CO₂谱线线形测量的初始分析，这包括拟合的CO₂谱线透过率与所示高度的波长的关系图，计算的CO₂光学厚度与光学传输的波长。图7还显示了测量的CO₂吸收平均光学厚度（蓝点，上部）与高度的关系图。根据LaRC飞机的原位传感器计算得出的CO₂柱密度与海拔高度的关系（红线，下部分）。这次飞行的一致和其他多次飞行一致表现得非常好，将在演示文稿中描述更多的数据和相关工作的细节。

6 感谢

我们感谢NASA ESTO IIP计划，NASA-Goddard IRAD计划和NASA ASCENDS科学解释活动的支持。我们非常感谢与Ed Browell的合作，以及来自NASA LaRC的Susan Kooi和Yonghoon Choi的现场测量。

7 参考文献

[1] J. Mao et al., “Sensitivity Studies for a Space-based CO2 Laser Sounder Development”, 2007

EGU General Assembly, Abstract 2007-A-11150, Vienna Austria, April 2007.

[2] H. Riris et al., “Atmospheric Pressure Measurements using the Oxygen A Band,” summary paper submitted to the ILRC-25 conference, 2010.

[3] J.B. Abshire, et al, “Pulsed Airborne Lidar measurements of Atmospheric CO2 Column Absorption and Line Shapes from 3-13 km altitudes ,” Eos Trans. AGU, 90(52), Fall Meet. Suppl., Abstract A34C-05, December 2009.

[4] X. Sun and J.B Abshire, “Receiver Performance Analysis of a Photon Counting Laser Sounder

for Measuring Atmosphere CO 2 Concentration,” summary submitted ILRC-25 conference, 2010.

[5] A. Amediek et al., “Backscatter and Column Height Estimates from a pulsed airborne CO2 Lidar,” summary paper submitted to ILRC-25 conference, 2010.

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