基于激光掩星吸收光譜的二氧化碳探測(cè)技術(shù)

王玉詔 ，陶宇亮，孫海青，楊 超

（1. 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094；2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院空間激光信息感知技術(shù)核心專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

1 引 言

近年來(lái)，大氣中CO2的含量與氣候變化的關(guān)系一直是氣候研究的熱點(diǎn)[1]。為了研究CO2的全球分布及變化，已經(jīng)發(fā)展了對(duì)地探測(cè)星載光譜儀[2-3]、星載路徑積分差分吸收(Integrated path differential absorption, IPDA)激光雷達(dá)[4]兩類光學(xué)遙感儀器。星載光譜儀具有高分辨、大幅寬的優(yōu)點(diǎn)，激光雷達(dá)具有高精度探測(cè)、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。然而，目前兩種儀器均主要獲取CO2柱濃度信息，缺乏垂直廓線探測(cè)能力。近年來(lái)發(fā)展的臨邊探測(cè)光譜儀[5-6]和掩星探測(cè)光譜儀[6]可以用來(lái)測(cè)量CO2垂直分布，但由于光譜分辨率和信噪比問(wèn)題，在探測(cè)精度和垂直分辨率方面有所不足。

在光學(xué)掩星探測(cè)系統(tǒng)中，用單頻激光源替換掉太陽(yáng)、月亮或恒星，不僅可以實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率的差分吸收探測(cè)，還可以降低接收端的光譜分辨要求。2010年，Kirchengast等[7]在ACCURATE(Atmospheric Climate and Chemistry in the UTLS Region And climate Trends Explorer)計(jì)劃中首次提出了激光掩星探測(cè)技術(shù)。該計(jì)劃在掩星系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端分別搭載紅外激光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，用差分吸收探測(cè)的方式進(jìn)行UTLS(Upper Troposphere And Lower Stratosphere, 5～35 km) 高度區(qū)域大氣成分和風(fēng)速測(cè)量，即低軌紅外激光掩星LIO(LEO-LEO Infrared Laser Occultation)探測(cè)技術(shù)。在該任務(wù)中，激光被設(shè)計(jì)為固定波長(zhǎng)的脈沖發(fā)射模式，通過(guò)工作波長(zhǎng)(λon)和參考波長(zhǎng)(λoff)的波長(zhǎng)組合進(jìn)行差分吸收探測(cè)，直接得到差分吸收光學(xué)厚度，再由Abel積分變換反演得到分子數(shù)密度分布廓線。其工作波長(zhǎng)和參考波長(zhǎng)分別為4 771.621 4 cm?1和4 770.15 cm?1。2020年李文冬等，在ACCURATE工作基礎(chǔ)上，對(duì)該技術(shù)的探測(cè)能力進(jìn)行了仿真分析[8]。

在激光掩星系統(tǒng)工作過(guò)程中，光源和大氣之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。搭載激光光源的衛(wèi)星在掩星光學(xué)路徑上的速度分量會(huì)引起較大的多普勒頻移，因此，實(shí)際工作中需要對(duì)激光波長(zhǎng)作相應(yīng)的頻移補(bǔ)償，并且需要通過(guò)高精度的電流和溫度控制實(shí)現(xiàn)2×10?8(20 s)[9]的穩(wěn)頻能力。其波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)能力需要達(dá)到MHz量級(jí)。采用激光掩星探測(cè)技術(shù)，需要構(gòu)建多顆衛(wèi)星的星座才能達(dá)到較高的觀測(cè)效率。在工作中雙星軌道面夾角不一定是恒定值，因此需要對(duì)不同的星間條件設(shè)置不同的多普勒補(bǔ)償量。此外，在掩星探測(cè)過(guò)程中，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度還會(huì)發(fā)生變化，使激光波長(zhǎng)在到達(dá)大氣時(shí)逐漸變化。上述特性將提高系統(tǒng)的研制成本和實(shí)現(xiàn)難度。

ACCURATE提出的工作波長(zhǎng)在2.5 μm附近，這主要是為了兼顧更多的痕量氣體成分，避免太陽(yáng)和大氣背景光干擾，且具有較好的大氣透過(guò)率。目前具有高內(nèi)增益的高靈敏度探測(cè)器件主要是光電倍增管(PMT)和雪崩光電二極管(APD)，其工作波長(zhǎng)主要在400～1 700 nm內(nèi)[10]。ACCURATE的測(cè)量波長(zhǎng)與上述高靈敏探測(cè)器無(wú)法匹配，信噪比的提升受到限制。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文分析了基于可調(diào)諧激光直接吸收光譜技術(shù)的激光掩星探測(cè)方案，通過(guò)波長(zhǎng)連續(xù)掃描直接獲得大氣吸收光譜[11]。該方案可以降低對(duì)激光器的控制和監(jiān)測(cè)要求，從而降低成本和復(fù)雜度。通過(guò)理論分析和建模仿真，在1 400 nm～1 700 nm之間優(yōu)選工作波長(zhǎng)，以匹配In-GaAs-APD器件的工作波長(zhǎng)范圍[12]，該波段也具有較高的大氣透過(guò)率。最后，本文給出了一組載荷指標(biāo)，并通過(guò)仿真分析了基于這套載荷指標(biāo)的系統(tǒng)探測(cè)能力。

2 基本原理

2.1 基于可調(diào)諧激光直接吸收光譜技術(shù)的激光掩星探測(cè)原理

直接吸收光譜技術(shù)是可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy- TDLAS)的一種實(shí)現(xiàn)途徑[13-14]。其基本原理是，通過(guò)控制可調(diào)諧二極管激光器的溫度和電流連續(xù)單調(diào)地改變激光波長(zhǎng)，使波長(zhǎng)經(jīng)過(guò)待測(cè)氣體分子的某個(gè)特征吸收線，從而得到待測(cè)分子的特征吸收光譜，再由差分吸收技術(shù)獲得待測(cè)分子濃度。

設(shè)入射光強(qiáng)為I0，根據(jù)朗伯-比爾定律，出射光強(qiáng)I可以表示為：

式中N為分子數(shù)密度，σ為指定波長(zhǎng)λ、溫度T和氣壓P的分子吸收截面，L為吸收路徑長(zhǎng)度，D為吸收光學(xué)厚度。由式(1)可得分子數(shù)密度的計(jì)算公式：

可見(jiàn)，通過(guò)測(cè)量出射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比即可由式(2)計(jì)算得到分子數(shù)密度。公式中吸收截面σ可以由Hitran數(shù)據(jù)庫(kù)、GEISA數(shù)據(jù)庫(kù)等計(jì)算獲得。

在工程應(yīng)用中，若通過(guò)調(diào)節(jié)溫度和電流使波長(zhǎng)單調(diào)變化則可以在出射光處得到一條強(qiáng)度曲線（如圖1所示）I(t)。結(jié)合波長(zhǎng)隨時(shí)間的變化關(guān)系λ(t)，可以認(rèn)為接收端的光強(qiáng)變化曲線為光譜曲線I(λ)。此時(shí)，可以將吸收峰位置確認(rèn)為分子工作波長(zhǎng)λon，對(duì)應(yīng)透過(guò)光強(qiáng)I也可以寫(xiě)作Ion。對(duì)曲線兩側(cè)的弱吸收部分進(jìn)行線性擬合，則可以得到一條基線?；€中與λon對(duì)應(yīng)的擬合信號(hào)強(qiáng)度可以作為I0，再由公式(2)計(jì)算分子數(shù)密度。

圖1 直接吸收光譜激光掩星探測(cè)原理Fig. 1 Detection principle of laser occultation direct absorption spectroscopy

也可以從曲線兩側(cè)的非吸收光譜數(shù)據(jù)中選取一個(gè)位置作為分子參考波長(zhǎng)λoff，再由以下公式(3)計(jì)算出分子數(shù)密度。

式中，IR表示接收端，IT表示激光發(fā)射端。這兩種處理方式都較容易獲得吸收峰處的吸收透過(guò)率，從而實(shí)現(xiàn)分子數(shù)密度測(cè)量。由于該技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)、成本低、非接觸且高可靠，這種激光直接吸收光譜技術(shù)已被大量應(yīng)用在工業(yè)在線測(cè)量設(shè)備中。

如圖1所示，在激光掩星探測(cè)過(guò)程中，采用直接吸收光譜技術(shù)可以降低波長(zhǎng)控制和波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)的難度。同時(shí)，采用直接吸收光譜技術(shù)還可以通過(guò)較大的波長(zhǎng)掃描范圍實(shí)現(xiàn)不同掩星條件下的多普勒頻移補(bǔ)償。

2.2 濃度測(cè)量及反演方法

與地面測(cè)量不同，在激光掩星探測(cè)過(guò)程中，激光將穿過(guò)不同大氣高度層，觀測(cè)路徑上的溫度、氣壓有極大差異。因而式(2)將不再適用，此時(shí)可以由式(1)計(jì)算出吸收光學(xué)厚度D(h):

式中h為待測(cè)高度。

Kirchengast等[7]通過(guò)激光掩星積分模型的研究，推導(dǎo)了Abel積分變換公式：

式中，α為消光系數(shù)，又可以表示為：

σon為工作波長(zhǎng)吸收截面，σoff為參考波長(zhǎng)吸收截面，r為高度層h的地心半徑：

i為高度層序號(hào)。a為GNSS掩星測(cè)量系統(tǒng)中定義的碰撞參數(shù)，表示為：

式中n為大氣折射率。

由式(5)可以得到分子數(shù)密度計(jì)算公式：

計(jì)算吸收截面σ所需的壓力P和溫度T有4種方式：第一，借鑒ACCURATE采用微波折射掩星方案獲??；第二，采用激光差分吸收技術(shù)測(cè)量O2含量反演獲得；第三，由背景庫(kù)獲得；第四，在CO2混合比不隨高度變化的假設(shè)條件下由迭代反演獲得。

除了式(3)～式(6)的差分吸收方式外，在獲得了完整吸收光譜曲線的條件下還可以由最優(yōu)光譜法反演分子數(shù)密度。這也是當(dāng)前臨邊探測(cè)系統(tǒng)中常用的反演方法。

3 最優(yōu)波長(zhǎng)選擇

通過(guò)光譜差分吸收測(cè)量痕量氣體時(shí)，其最優(yōu)工作波長(zhǎng)選擇可以參考5個(gè)條件：（1）最優(yōu)透過(guò)率；（2）其它成分干擾；（3）非吸收大氣透過(guò)率；（4）探測(cè)靈敏度；（5）背景光干擾。

對(duì)于背景光干擾可以通過(guò)加入窄帶濾光片進(jìn)行抑制。探測(cè)靈敏度條件前文已作出分析，根據(jù)該條件將波長(zhǎng)范圍選為1 400～1 700 nm，CO2在該范圍內(nèi)擁有豐富的吸收譜段。接下來(lái)主要分析條件（1）～（3）。

3.1 最優(yōu)透過(guò)率和信噪比關(guān)系

當(dāng)采用差分吸收原理處理數(shù)據(jù)時(shí)，所選工作波長(zhǎng)λon的透過(guò)率越低則探測(cè)系統(tǒng)靈敏度越高，但過(guò)低的透過(guò)率會(huì)導(dǎo)致信號(hào)變?nèi)跎踔岭y以測(cè)量。因此，差分吸收測(cè)量時(shí)存在最優(yōu)的透過(guò)率范圍，這個(gè)范圍與信噪比和測(cè)量精度存在一定的關(guān)系。由式(1)可得CO2吸收光學(xué)厚度：

式中T為吸收透過(guò)率。DC的相對(duì)誤差公式為：

在信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，參考波長(zhǎng)信號(hào)的噪聲可以表示為：

式中ε為與探測(cè)電路有關(guān)的常數(shù)。在直接吸收光譜探測(cè)技術(shù)中，接收端共用探測(cè)電路，因此工作波長(zhǎng)信號(hào)的噪聲也可以表示為：

結(jié)合公式(1)可得：

式中，SNR為探測(cè)信噪比。在采用2.2小節(jié)中的Abel積分法進(jìn)行反演處理時(shí)，還將引入誤差放大因子gAbel(～2.5)，此時(shí)式(14)改寫(xiě)為:

式中，T為透過(guò)率。式(15)即為最優(yōu)透過(guò)率公式。從式(15)可以看出，相對(duì)誤差與信噪比成反比，且當(dāng)T過(guò)大或過(guò)小時(shí)，都會(huì)引起相對(duì)誤差的增加。在相對(duì)誤差要求明確時(shí)，可以得到信噪比和透過(guò)率需求關(guān)系：

設(shè)密度相對(duì)誤差要求分別為0.3%、0.5%、1%、2%，則信噪比與透過(guò)率關(guān)系如圖2所示?？梢钥闯觯顑?yōu)透過(guò)率在0.3附近，若將透過(guò)率約束在0.2～0.6范圍內(nèi)，則可以在同等誤差條件下極大地降低信噪比需求。

圖2 信噪比SNR與透過(guò)率關(guān)系Fig. 2 The relationship of SNR and transmission T

3.2 透過(guò)率及干擾分析

激光掩星探測(cè)過(guò)程是復(fù)雜的物理過(guò)程，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估也需要復(fù)雜的物理建模。該物理過(guò)程涉及到光電探測(cè)、分子吸收、大氣散射、大氣折射、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)等。為此，基于Hitran和GEISA數(shù)據(jù)庫(kù)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣模型、Modtran 氣溶膠衰減和背景光數(shù)據(jù)，按照大氣分層計(jì)算模型，作者開(kāi)發(fā)了激光掩星探測(cè)仿真系統(tǒng)[15]。由該仿真系統(tǒng)可以給出CO2等分子在1 400～1 700 nm(5 882～7 143 cm?1)波段、0～100 km切點(diǎn)高度上的激光掩星傳輸光譜，并分析出CO2的工作波長(zhǎng)。首先，計(jì)算出不含CO2的Hitran大氣成分（H16OH、H18OH、H17OH、H16OD、16O13C16O、16O12C18O、O3、N2O、CO、CH4、O2、NO、SO2、NO2、NH3）的激光掩星吸收光譜作為背景干擾光譜。第二步，計(jì)算出CO2的激光掩星吸收光譜。第三步，對(duì)兩種光譜開(kāi)展對(duì)比分析，給出既滿足最優(yōu)透過(guò)率條件又受較小干擾的CO2工作波長(zhǎng)。

圖3是CO2吸收光譜與背景光譜的對(duì)比圖，可以看出，兩種光譜有較多的交疊區(qū)域，但也有可以區(qū)分的區(qū)域。根據(jù)第3節(jié)最優(yōu)波長(zhǎng)的5個(gè)條件分析，最終選擇6 310.883 4 cm?1作為工作波長(zhǎng)，若按照雙波長(zhǎng)差分吸收方式處理，其參考波長(zhǎng)可以選擇6 310.15 cm?1。

圖3 （a）背景光譜與（b）CO2光譜對(duì)比（波數(shù)ν范圍5 882 cm?1～7 143 cm?1，高度5 km）Fig. 3 Comparison of (a) background spectrum and (b)CO2 spectrum (The range of wave number ν is 5 882 cm?1～7 143 cm?1 and the height is 5 km.)

可以按照差分吸收原理分析干擾帶來(lái)的誤差。以角標(biāo)S表示干擾波長(zhǎng)，則其引起的相對(duì)誤差可以表示為：

考慮最優(yōu)透過(guò)率條件，選擇在各切點(diǎn)高度處吸收透過(guò)率在0.2～0.6內(nèi)的工作波長(zhǎng)，具體吸收工 作 波 長(zhǎng) 可 以 選 擇6 310.915 cm?1(5～10 km)、6 310.893 cm?1(11～18 km)、6 310.890 cm?1(19～26 km)、6 310.883 4 cm?1(27～39 km)。

由仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，背景光譜干擾主要影響區(qū)域?yàn)?～15 km，其相對(duì)誤差小于0.04%，在15 km以上，背景光譜干擾相對(duì)誤差迅速下降到0.013%以下。背景光譜干擾隨高度變化的主要原因有兩種：一種原因是H2O分子等干擾分子主要分布在15 km以下[16]，其在空氣中的混合比隨高度迅速減小，而CO2的混合比幾乎不隨高度變化（100 km以下）；第二種原因是隨著高度增加，氣壓迅速減小，由氣壓引起的譜線展寬也迅速減小，使波長(zhǎng)間的相互串?dāng)_減小。

圖4 背景光譜干擾誤差Fig. 4 Error caused by background spectral interference(λon is 6 310.915 cm?1 @ 5～10 km, 6 310.893 cm?1 @ 11～18 km, 6 310.890 cm?1 @ 19～26 km, 6 310.883 4 cm?1 @ 27～39 km, and λoff is 6 310.15 cm?1)

4 探測(cè)性能分析

4.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)于激光掩星探測(cè)系統(tǒng)，其主要的系統(tǒng)參數(shù)包括軌道高度、激光發(fā)射功率、激光發(fā)散角、接收望遠(yuǎn)鏡口徑、接收視場(chǎng)、光譜帶寬和電子學(xué)濾波帶寬等。鑒于ACCURATE計(jì)劃可行性論證較為充分，這些參數(shù)大部分都可以參考ACCURATE計(jì)劃提出的方案。

這里主要討論電子學(xué)濾波帶寬和采樣頻率的設(shè)計(jì)采用波長(zhǎng)掃描方式，接收端測(cè)量時(shí)將通過(guò)連續(xù)采集獲取具有波谷的調(diào)制信號(hào)，此時(shí)，波谷的下降沿和上升沿決定了系統(tǒng)的電子學(xué)濾波帶寬。設(shè)吸收光譜信號(hào)的下降沿時(shí)間為τ，則濾波帶寬為：

設(shè)掃描周期為△t，波長(zhǎng)掃描范圍為ν1(6 309.883 4 cm?1)～ν2(6 311.883 4 cm?1)，則可以仿真計(jì)算出各高度層吸收譜的下降波數(shù)寬 ?ν，其中最短下降沿為? ντ。則下降沿時(shí)間為：

設(shè)掃描周期為20 ms，根據(jù)仿真結(jié)果，△ντ≈0.011 5 cm?1，則帶寬△ν≥3.04 kHz。

為了保證光譜的有效恢復(fù)，在上升沿內(nèi)的采樣點(diǎn)不低于10個(gè)，則采樣頻率不低于87 ksps。

根據(jù)上述分析，參考ACCURATE設(shè)計(jì)，系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab. 1 System simulation parameters

4.2 探測(cè)信噪比

根據(jù)系統(tǒng)仿真參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，可以得到工作波長(zhǎng)λon處的吸收光譜信號(hào)，其信噪比見(jiàn)圖5（彩圖見(jiàn)期刊電子版）。圖中光譜吸收峰對(duì)應(yīng)6 310.883 4 cm?1?？梢钥闯觯捎弥苯游展庾V技術(shù)，不需要高精度波長(zhǎng)穩(wěn)頻，只要從接收信號(hào)中找到吸收峰位置即可確定工作波長(zhǎng)，因而可以有效節(jié)約成本、降低復(fù)雜度。

圖5 探測(cè)信噪比仿真結(jié)果Fig. 5 Simulation results of detection SNR

從仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)的探測(cè)信噪比與波數(shù)ν和切點(diǎn)高度h相關(guān)。在光譜吸收峰附近，由于大氣吸收導(dǎo)致信噪比迅速降低，在低層大氣吸收峰處甚至僅剩下噪聲信號(hào)。在低層大氣，由于氣溶膠和分子的消光導(dǎo)致信噪比迅速下降，這兩種因素中主要分布在5 km以下的氣溶膠層占主導(dǎo)作用。在5 km以上，由于氣溶膠的迅速減少，信噪比迅速增加，到10 km以上，探測(cè)信噪比增加到800以上。

有兩種方式可以進(jìn)一步提高探測(cè)信噪比，第一種是通過(guò)平滑或?yàn)V波方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，第二種是通過(guò)多次采樣累積來(lái)提高信噪比。這里僅討論第二種方式。

根據(jù)信噪比模型，累積M次信號(hào)可以將信噪比提高倍。已知采樣頻率為40 Hz，根據(jù)切點(diǎn)掃描速度變化和處理的垂直分辨率，可以得到各高度層對(duì)應(yīng)的累積次數(shù)M。仿真結(jié)果見(jiàn)圖6。由仿真結(jié)果可以看出，測(cè)量信號(hào)在低層大氣的累積次數(shù)明顯高于高層大氣。30 km以上累積次數(shù)較為穩(wěn)定。在30 km以下，隨著切點(diǎn)高度降低，同等分辨率的累積次數(shù)迅速增加。其中，5 km處累積次數(shù)約為30 km處累積次數(shù)2倍。這是因?yàn)榈蛯哟髿獾恼凵鋸澢^大，使垂直掃描速度迅速降低所致。這有利于補(bǔ)償?shù)蛯哟髿庥捎趶?qiáng)散射衰減帶來(lái)的損失。

圖6 累積次數(shù)的高度分布Fig. 6 Height distribution of cumulative times

4.3 探測(cè)誤差分析

在差分吸收處理的條件下，氣體分子濃度探測(cè)的相對(duì)誤差與參考波長(zhǎng)信噪比SNR、累積次數(shù)M、工作波長(zhǎng)差分吸收透過(guò)率T、以及背景光干擾DSon?DSoff密切相關(guān)。其綜合影響公式為：

公式(20)描述了采用差分吸收處理的激光掩星探測(cè)濃度相對(duì)誤差ED的綜合影響公式。根據(jù)該公式，可以由表1參數(shù)估算系統(tǒng)的探測(cè)誤差。其結(jié)果見(jiàn)圖7，垂直分辨率分別為0.25 km、0.5 km和1 km。

首先，探測(cè)誤差與垂直分辨率的開(kāi)方成反比，高垂直分辨率對(duì)應(yīng)較高的誤差。0.25 km垂直分辨率的探測(cè)誤差是1 km垂直分辨率探測(cè)誤差的2倍。在0.25 km垂直分辨率下7～42 km的測(cè)量誤差小于0.8%，而在1 km垂直分辨率下誤差則小于0.4%。在5～35 km的觀測(cè)范圍內(nèi)，最大誤差出現(xiàn)在5 km處，0.25 km垂直分辨率的最大誤差為1.8%，1 km垂直分辨率的最大誤差為0.9%。

其次，探測(cè)誤差與高度密切相關(guān)。當(dāng)高度下降到5 km時(shí)，探測(cè)誤差迅速增加到1.8%。這是因?yàn)榈蛯哟髿庑旁氡妊杆俳档退?。?dāng)高度由42 km升高到49 km時(shí)，探測(cè)誤差迅速增加到1.6%。這是因?yàn)椴罘治胀高^(guò)率迅速提高所致。

圖7 探測(cè)誤差隨高度分布Fig. 7 Distribution of detection error varying with height

若可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行較好的濾波或平滑處理，或采用最優(yōu)光譜法等更先進(jìn)的反演手段，測(cè)量精度還有望進(jìn)一步提升。

5 結(jié) 論

激光掩星探測(cè)技術(shù)具有高垂直分辨率、高精度、全球覆蓋、全天時(shí)探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，是解決痕量氣體垂直廓線探測(cè)問(wèn)題的重要手段，是當(dāng)前溫室氣體探測(cè)技術(shù)的重要補(bǔ)充。通過(guò)對(duì)比分析，本文確定了可調(diào)諧激光直接吸收光譜技術(shù)路線。通過(guò)理論分析和仿真計(jì)算，得到了UTLS區(qū)域CO2濃度探測(cè)誤差的影響因素和相互關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，基于最優(yōu)透過(guò)率和最小背景光干擾原則，選擇了6 310.915 cm?1@5～10 km、6 310.893 cm?1@11～18 km、6 310.890 cm?1@19～26 km、6 310.883 4 cm?1@27～39 km的工作波長(zhǎng)，以及參考波長(zhǎng)6 310.15 cm?1。仿真結(jié)果表明，在0.25 km垂直分辨率條件下，系統(tǒng)探測(cè)誤差優(yōu)于1.8%，且7～42 km探測(cè)誤差優(yōu)于0.8%。在1 km垂直分辨率條件下，系統(tǒng)探測(cè)誤差分別提高到0.9%和0.4%。分析表明，采用可調(diào)諧激光直接吸收光譜技術(shù)開(kāi)展掩星探測(cè)，可以省去高成本高復(fù)雜度的高精度波長(zhǎng)穩(wěn)頻系統(tǒng)，有效獲取CO2濃度廓線分布，對(duì)全球溫室氣體廓線探測(cè)技術(shù)發(fā)展具有重要參考價(jià)值。