球载TDLAS的对流层CO_2浓度廓线探测

大气中CO2主要的源和汇都集中在对流层,精确地获取对流层CO2浓度廓线分布,对研究CO2的垂直输送和全球气候演变具有重要意义。基于可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)高分辨、高灵敏度和快速响应等特点,研制了采用直接吸收技术的小型化CO2探测系统,选取位于2 004.02nm处的R(16),ν1+ν3吸收谱线,避免了附近H2O分子的吸收干扰,对CO2浓度廓线进行了球载测量,获取了10km以下对流层中CO2的分子数密度分布。受限于球载测量环境,系统采用紧凑型设计,在单块电路板上实现激光器驱动、弱信号调理,光谱数据采集及浓度计算等功能,受嵌入式微处理器的运算能力和硬件资源限制,对浓度反演算法进行了优化,避免冗余计算,降低了算法耗时。和采用波长调制技术的TDLAS传统仪器相比,借助光程20m的开放式Herriott多次反射池,采用直接吸收技术,避免了浓度标定步骤,提高了对测量环境的适应性,通用性的硬件和软件结构可适用于测量不同气体,只需更换激光器和调整算法关键参数。小型化的设计思想降低功耗,减小体积,兼顾了响应速度和测量精度,室温条件下功耗小于1.5 W,单板体积120mm×100mm×25mm,1.5s时间响应下的测量精度为±0.6×10-6,经验证,该系统可在对流层内实现CO215m垂直空间分辨的高精度检测,是一种可行的气体廓线球载探测手段。