Development and application of infrared laser heterodyne radiometry for remote sensing of greenhouse gases in the atmospheric column
Développement et application de la radiométrie hétérodyne laser infrarouge pour la télédétection des gaz à effet de serre dans la colonne atmosphérique
Résumé
The increase of greenhouse gases concentration in the atmosphere leads to global warming, which has aroused widespread concern in society. Studying the earth's atmosphere and predicting future climate change are closely related to the accurate observation of greenhouse gas concentrations. At present, the high spectral resolution instruments used to observe column concentration of atmospheric greenhouse gases generally have large sizes and high costs, which are not conducive to monitor the greenhouse gases on a large scale. The laser heterodyne radiometer with high resolution can be made small, low-power consumption, compact and robust. It is conducive to the realization of the mobile observation of atmospheric greenhouse gases in the field. This thesis mainly focuses on infrared laser heterodyne detection technology and application. The main work and innovations of the thesis are as follows : An all-fiber dual-channel laser heterodyne radiometer was developed to detect CH₄ and CO₂ in the atmospheric simultaneously. In the device, a fiber optic switch and other fiber optic devices were used to improve the stability and reliability of the measurement system significantly. Continuous observation experiments were performed in Hefei, and the measurement results are approximately consistent with the GOSAT results. The integrated instrument also conducted field observations in Qinghai province. Then, an interband cascade laser based mid-infrared LHR has been demonstrated in an attractive atmospheric window of 3-5 μm, for the first time, in ground-based solar occultation mode. High-resolution (0.0033 cm⁻¹) spectra near 3.53 µm were obtained for simultaneous atmospheric observations of HDO and CH₄. Finally, an external cavity laser based laser heterodyne radiometer for the detection of ¹³CO₂ and ¹²CO₂ in the atmospheric was developed. The external cavity laser was used as the local oscillator to implement the continuous spectrum measurement in the range of 6248.5 cm⁻¹∼ 6256 cm⁻¹. And the atmospheric transmittance of ¹²CO₂ and ¹³CO₂ in the entire atmosphere was obtained.
La mesure des profils de concentration verticale des gaz à effet de serre (GES) est extrêmement importante pour notre compréhension de la qualité de l’air régional et des tendances du changement climatique mondial. Dans ce contexte, la technique du radiomètre hétérodyne au laser (LHR) a été développée pour les mesures à distance au sol des GES dans la colonne atmosphérique. Le rayonnement solaire subissant une absorption par plusieurs espèces dans l'atmosphère est couplé à un instrument LHR dans lequel la lumière du soleil est mélangée à un oscillateur local (OL), généralement une source laser accordable, dans un photodétecteur rapide. Le battement de la note aux radiofréquences (RF) résultant de ce photomélange contient des informations sur l'absorption des molécules ciblées par LO. L'analyse de la fréquence LO sur les lignes d'absorption moléculaires cibles permet d'extraire les caractéristiques d'absorption correspondantes de l'absorption totale du rayonnement solaire par toutes les molécules de la colonne atmosphérique. Dans le présent travail, des instruments LHR fonctionnant dans le proches-IR (~ 1,5 µm) et la mi-IR (3,5 µm) ont été développées. Des campagnes de mesure sur le terrain ont été réalisées à Dunkerque en France et à Hefei en Chine. Les spectres du CH₄, du CO₂ (y compris ¹³CO₂ / ¹²CO₂), de la vapeur d'H₂O vapeur ainsi que son isotopologue HDO dans la colonne atmosphérique ont été mesurés.
Origine : Version validée par le jury (STAR)