基于卫星平台的大气二氧化碳浓度探测方法研究

论文摘要

在全球变暖日趋严重的今天,大气二氧化碳浓度的检测技术已被各国广泛关注。检测的方式主要有地基、空基和星载三种。现存的地面观测网络测量精度高,能提供有用的系统参数和传输模型,但地面站覆盖面小且缺乏南半球的测量数据,因此不能解释二氧化碳的源汇现象。利用飞机在平流层进行检测时,由于二氧化碳通量的剧烈变化一般发生在对流层,因此能获得高精度的探测结果,但覆盖范围相对全球来说,还显得十分有限。利用卫星平台的星载检测法能得到高精度、不受时空限制且具有全球覆盖范围的测量结果,并能和当地的地基测量和空基测量数据进行校准,其目标是检测世界各地二氧化碳的浓度变化,绘制全球二氧化碳源汇分布图。因此,本文就基于卫星平台的大气二氧化碳浓度检测方法进行了研究。本文首先综述了目前国内外探测大气二氧化碳浓度的研究进展,描述了利用地基、空基和卫星平台进行检测的三种方式,评价了星载探测技术在国内外发展状况。分析了光谱检测和差分吸收技术,在此基础上给出了被动探测和主动探测的基本思想,并将这两种思想组合,得出了复合探测的基本原理。构建了二氧化碳浓度的解算方法,并将其分为二氧化碳浓度的相对值解算法和相对探测解算法两种,前者阐述了相对值解算法的基本原理和前向辐射传输模型,后者建立了相对探测法的理论模型。在校准方式上,提出了地面实验室和地面站双重校准的方法,并给出了校准表达式。由被动探测的基本原理,在考虑气体吸收光谱选择、卫星探测模式和系统设计的基础上,得出了大气二氧化碳浓度的被动探测方法,并对其进行了优缺点分析。从差分吸收的原理出发,对主动探测差分吸收光源波长的选择和探测系统分别进行了选择和设计,给出了大气二氧化碳浓度的主动探测方法,讨论了方法的优缺点。结合被动和主动两种探测方法,对卫星动力学环境的影响进行了分析和计算,给出了检测时应达到的精度要求并分析了误差的来源。最后提出了基于卫星平台的大气二氧化碳浓度复合探测的方法,给出了相关参数的设计。本文的研究工作对大气二氧化碳浓度检测方案的选择提供了参考,同时也为我国建立自己的星载探测系统提供了一种新的思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 地基、空基和星载探测技术简介
• 1.3 卫星平台探测技术的国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 已有方案的优点和存在的不足
• 1.5 本论文主要研究内容
• 第2章 大气二氧化碳浓度探测原理与算法研究
• 2.1 引言
• 2.2 大气二氧化碳浓度的复合探测原理
• 2.2.1 大气二氧化碳浓度的被动探测原理
• 2.2.2 大气二氧化碳浓度的主动探测原理
• 2.3 大气二氧化碳浓度的解算方法
• 2.3.1 二氧化碳浓度相对值的反演分析
• 2.3.2 二氧化碳浓度的相对探测解算方法
• 2.3.3 地面实验室与地面站的二次校准
• 2.4 本章小结
• 第3章 大气二氧化碳浓度的被动探测方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 大气二氧化碳浓度的被动探测方法
• 3.2.1 被动探测吸收光谱的选择
• 3.2.2 卫星被动探测的模式设计
• 3.2.3 被动探测系统的设计与系统参数的选择
• 3.3 被动探测方法的优缺点分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 大气二氧化碳浓度的主动探测方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 利用差分吸收的大气二氧化碳浓度主动探测方法
• 4.2.1 主动探测差分吸收系统光源波长的选择
• 4.2.2 主动探测差分吸收系统的设计
• 4.3 主动探测方法的优缺点分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 大气二氧化碳浓度的复合探测方法研究
• 5.1 引言
• 5.2 大气二氧化碳浓度的复合探测方法
• 5.2.1 复合探测系统的设计
• 5.2.2 卫星动力学环境影响分析
• 5.2.3 复合探测的精度要求与误差来源分析
• 5.3 复合探测总体方案概念性设计
• 5.3.1 复合探测总体方案描述
• 5.3.2 复合探测总体方案参数选择
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢