《溫室氣體排放測量方法 可移動差分吸收激光雷達(dá)法》

附件1

ICSxxxx

xx.xxT/CSMT

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CSMT-00*—20xx

（溫室氣體排放測量方法可移動差分吸收

激光雷達(dá)法）

（GreenhouseGasEmissionsMeasurementMethod—MobileDifferential

AbsorptionLiDARMethod）

（征求意見稿）

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實(shí)施

中國計(jì)量測試學(xué)會發(fā)布

溫室氣體排放測量方法可移動差分吸收激光雷達(dá)法

1范圍

本文件規(guī)定了基于差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)方法的溫室氣體排放測量的定義、測量目標(biāo)、測量原

理及系統(tǒng)組成、測量方法、測量數(shù)據(jù)與質(zhì)量控制和系統(tǒng)維護(hù)要求。

本文件適用于企業(yè)或區(qū)域溫室氣體排放速率的直接測量。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用

文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）

適用于本文件。

GB/T34415-2017大氣二氧化碳(CO2)光腔衰蕩光譜觀測系統(tǒng)

GB/T34287-2017溫室氣體甲烷測量離軸積分腔輸出光譜法

DL/T2376—2021火電廠煙氣二氧化碳排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

溫室氣體greenhousegas

指任何會吸收和釋放紅外線輻射并存在大氣中的氣體，本文件中溫室氣體指二氧化碳（CO2）、甲烷

（CH4）。

3.2

差分吸收激光雷達(dá)法differentialabsorptionlidarmethod

系統(tǒng)向大氣中發(fā)射兩個或多個波長的激光束，這些波長應(yīng)處于目標(biāo)氣體的吸收光譜的吸收峰和

吸收谷，根據(jù)兩個或多個波長的回波信號進(jìn)行差分計(jì)算激光共同路徑上的目標(biāo)氣體的濃度。

1

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3.3

距離分辨濃度分布distance-resolvedconcentrationdistributions

沿激光測量路徑間隔一定距離就會給出目標(biāo)氣體的濃度分布。

3.4

排放速率emissionrate

排放速率是指單位時(shí)間內(nèi)向大氣中排放的氣體的質(zhì)量。

3.5

系統(tǒng)盲區(qū)systemblindregion

在離激光雷達(dá)非常近的一段距離范圍內(nèi)，激光器發(fā)射的激光光束不在接收視場內(nèi)，接收望遠(yuǎn)鏡

接收不到大氣顆粒物及分子的后向散射光，接收到的是雜散光這一區(qū)域稱為激光雷達(dá)的盲區(qū)。

3.6

標(biāo)準(zhǔn)氣室standardgascell

在本文件中，標(biāo)準(zhǔn)氣室是用于填充標(biāo)準(zhǔn)氣體的密封容器，兩側(cè)端口有通過激光的光學(xué)玻璃窗口。

4測量目標(biāo)

利用差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)合氣象參數(shù)測量子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域溫室氣體排放（包含有組織

排放和無組織排放）的直接的測量。通過溫室氣體空間濃度分布測量和氣象信息同步測量，獲得目

標(biāo)區(qū)域的溫室氣體排放速率，嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)質(zhì)量、滿足基于測量學(xué)方法對企業(yè)和區(qū)域溫室氣體排放

量的測算需求。

2

5測量原理及系統(tǒng)組成

5.1測量原理

5.1.1溫室氣體排放速率測量原理

溫室氣體排放測量原理是通過差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)測量獲得目標(biāo)區(qū)域溫室氣體空間濃度分布，同

時(shí)利用氣象測量系統(tǒng)獲得目標(biāo)區(qū)域風(fēng)速風(fēng)向空間分布，將溫室氣體空間濃度分布與風(fēng)速風(fēng)向分布信

息結(jié)合，獲得目標(biāo)區(qū)域溫室氣體總體排放速率。測量原理如圖1所示，其中溫室氣體空間濃度分布

是利用可移動差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)測量獲得距離分辨濃度廓線，并通過測量光束的垂直掃描，測

量獲得目標(biāo)區(qū)域垂直截面二維濃度分布。氣象子系統(tǒng)同時(shí)測量獲得目標(biāo)區(qū)域風(fēng)速風(fēng)向空間分布，利

用公式（1）獲得目標(biāo)區(qū)域溫室氣體排放速率數(shù)值。

圖1差分吸收激光雷達(dá)測量示意圖

j

（）

FCiViDisin1

i1

式中：

F——排放速率；

Ci——掃描截面第i個點(diǎn)平均濃度；

Vi——濃度Ci同一位置上平均風(fēng)速；

——掃描截面與風(fēng)向的夾角；

Di——單位面積。

5.1.2差分吸收激光雷達(dá)測量原理

差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)將激光脈沖輻射傳輸?shù)酱髿庵?，并測量由大氣分子和氣溶膠散射返回到

系統(tǒng)的光能量獲得目標(biāo)氣體的濃度分布廓線。差分吸收激光雷達(dá)在測量時(shí)發(fā)射兩束波長十分接近的

脈沖激光，這兩個波長其中的一個位于待測氣體吸收光譜的吸收峰處，激光束穿過待測氣體時(shí)會被

吸收，稱為“在線波長”（“on-line”），另一個位于待測氣體吸收光譜的吸收谷處，激光穿過待測氣體

時(shí)不被吸收或吸收很少，稱為“離線波長”（“off-line”）。由于兩個波長非常接近，大氣中除待測氣體

吸收外的可變性參數(shù)（例如，散射介質(zhì)和干擾化合物的差異）對于兩個波長影響幾乎相同。因此在

返回信號中兩個波長的差異是由于待測氣體的吸收引起，可通過計(jì)算發(fā)射與接收信號之間的時(shí)間差，

3

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就可以獲得距離z處的目標(biāo)氣體濃度：

1dSon,z

Cln（3）

2dzSoff,z

式中：

C為待測氣體的濃度；

為在線波長和離線波長的差分吸收系數(shù)；

Son和Soff為在線波長和離線波長的返回信號。

5.1.3氣象參數(shù)測量原理

氣象參數(shù)測量主要獲得目標(biāo)區(qū)域風(fēng)速風(fēng)向空間分布信息。氣象參數(shù)測量方法可以采用多普勒測

風(fēng)激光雷達(dá)法，也可以分布采樣擬合法。

a)多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)原理

多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)基于多普勒效應(yīng)，利用激光束發(fā)射器發(fā)射一束激光束向大氣中傳播，當(dāng)激

光束與空氣中的氣溶膠粒子或顆粒物相互作用時(shí)，部分激光能量會被散射回到接收器。在接收到回

波信號之后，利用頻譜分析的方法解析回波信號,并提取出風(fēng)場信息。

b)分布采樣擬合

分布采樣擬合法在垂直方向不同高度部署多個高精度風(fēng)速風(fēng)向傳感器，通過風(fēng)速風(fēng)向傳感器對

近地面不同高度的風(fēng)速風(fēng)向信息進(jìn)行采樣測量，利用不同高度風(fēng)速測量數(shù)據(jù)擬合垂直風(fēng)速廓線分布，

風(fēng)向信息采用距離目標(biāo)區(qū)域最接近高度的風(fēng)速風(fēng)向傳感器的平均值表示，垂直方向風(fēng)廓線擬合方法

采推薦使用如公式（2）所示的基于對數(shù)律的分布采樣擬合方法，也可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正：

uzalnzb（）

2

式中：

uz為高度為z的風(fēng)速；

a和b為風(fēng)廓線擬合系數(shù)。

5.2測量系統(tǒng)組成

溫室氣體排放測量差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)由激光發(fā)射單元、掃描單元、接收單元、光電轉(zhuǎn)換和信號

處理單元、數(shù)據(jù)采集、控制和分析單元、氣象測量單元和其他輔助單元組成。

5.2.1激光發(fā)射單元

激光發(fā)射單元是將激光進(jìn)行準(zhǔn)直、擴(kuò)束和反射到掃描單元，包括激光器、擴(kuò)束器和反射鏡。

5.2.2掃描單元

掃描單元是能夠?qū)⒓す庵赶蚰繕?biāo)區(qū)域的設(shè)備，具備水平360°和垂直180°旋轉(zhuǎn)的功能，通常

是由兩個較大的反射鏡和相關(guān)的機(jī)械設(shè)備組成。

5.2.3接收單元

接收單元是用來收集微弱的散射光信號到探測器上，是由接收望遠(yuǎn)鏡和反射鏡組成。

5.2.4光電轉(zhuǎn)換和信號處理單元

光電轉(zhuǎn)換和信號處理單元是將收集的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并進(jìn)行放大和去噪，主要由光電探

測器、放大器和濾波器組成。

5.2.5數(shù)據(jù)采集、控制和分析單元

數(shù)據(jù)采集、控制和分析單元是對電信號進(jìn)行采集、處理和分析，并對整個系統(tǒng)各單元之間協(xié)同

運(yùn)行進(jìn)行控制，主要由數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)、控制和分析軟件組成。

4

5.2.6氣象測量單元

氣象測量單元是采集現(xiàn)場測量時(shí)氣象信息的設(shè)備，主要由超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀、數(shù)據(jù)采集器和氣

象桿組成。

5.2.7其他輔助單元

其他輔助單元是能夠支撐測量系統(tǒng)正常運(yùn)行的設(shè)備，主要包括電力、網(wǎng)絡(luò)通訊、冷卻設(shè)備等組

成。

5.3工作條件

5.3.1可移動差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)可以外部（-10-40）℃條件下工作。

5.3.2可移動差分吸收激光雷達(dá)的光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)保持相對封閉、相對濕度≤50%RH，溫度控制在

（20±1）℃，遠(yuǎn)離震動源。

5.3.3可移動差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)測地點(diǎn)應(yīng)處于開闊無明顯遮擋區(qū)域。

5.4方法種類

5.4.1本方法可用于快速部署目標(biāo)區(qū)域的非接觸遠(yuǎn)程測量。

5.4.2本方法適用于短期內(nèi)快速核查測量，以一段時(shí)間內(nèi)測量平均值評估目標(biāo)區(qū)域溫室氣體整體排

放情況。

5.5性能指標(biāo)

5.5.1差分吸收激光雷達(dá)性能指標(biāo)見表1

表1差分吸收激光雷達(dá)性能指標(biāo)

序號技術(shù)參數(shù)具體要求

1波長數(shù)量（單一氣體測量）≥2

2時(shí)間分辨率1min-10min

3距離分辨率3.75m-15m

4測量不確定度≤30%

5有效探測距離≥500m

6探測盲區(qū)≤100m

CH4：30（ppb?km）

7探測靈敏度

CO2：1（ppm?km）

5.5.2超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀性能指標(biāo)見表2

表2超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀性能指標(biāo)

序號技術(shù)參數(shù)具體要求

風(fēng)速：0.1m/s-60m/s

1測量范圍

風(fēng)向：0-359°

風(fēng)速：0.01m/s

2分辨率

風(fēng)向：1°

3精度風(fēng)速：±3%（40m/s）

5

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風(fēng)向：±3°（40m/s）

6測量方法

6.1測量準(zhǔn)備

6.1.1對測量區(qū)域進(jìn)行環(huán)境調(diào)研和排放類型分析。

6.1.2初步識別潛在的干擾氣體，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和天氣預(yù)報(bào)對風(fēng)場進(jìn)行評估，確定差分吸收激光雷

達(dá)系統(tǒng)的測量位置和氣象測量系統(tǒng)位置，確認(rèn)系統(tǒng)維護(hù)和校準(zhǔn)狀態(tài)。

6.1.3為要測量的目標(biāo)氣體進(jìn)行激光器參數(shù)的相關(guān)設(shè)置。

6.2測量計(jì)劃制定

6.2.1根據(jù)盛行風(fēng)向和現(xiàn)場風(fēng)向情況確定測量區(qū)域。從測量范圍、下風(fēng)向等技術(shù)角度和安全限制、

停車和潛在障礙物等現(xiàn)場安全角度確定合適的測量位置，如圖2測量示意圖。

6.2.2根據(jù)企業(yè)信息，確定可能的排放源區(qū)域和種類；識別潛在干擾物，制定可行的測量計(jì)劃。

圖2差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)測量示意圖

6.3測量計(jì)劃實(shí)施

6.3.1按照測量計(jì)劃開展測量，考慮大氣條件的變化的可能性，應(yīng)及時(shí)調(diào)整測量位置。

6.3.2測量時(shí)記錄測量位置、氣象站位置和測量信息。

6.3.3按測量計(jì)劃完成規(guī)定的測量任務(wù)，測量過程中監(jiān)視回波信號的質(zhì)量、檢測器等測量信息。

6.4結(jié)果表示

6.4.1測量完成后繪制溫室氣體二維濃度圖、氣象圖和排放速率，標(biāo)注測量區(qū)域名稱、時(shí)間、圖例。

6.4.2可根據(jù)工作需要，與地圖結(jié)合并標(biāo)注重要參數(shù)信息。

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7測量報(bào)告表述

7.1結(jié)果計(jì)算

測量結(jié)果計(jì)算應(yīng)遵循5.1.2節(jié)和5.1.3節(jié)測量原理進(jìn)行空間濃度分布和氣象分布計(jì)算，并根據(jù)5.1.1

節(jié)測量原理計(jì)算出排放速率。

7.2報(bào)告格式參考附錄A

8測量數(shù)據(jù)與質(zhì)量控制

8.1測量數(shù)據(jù)要求

8.1.1測量數(shù)據(jù)文件應(yīng)包含差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件、氣象數(shù)據(jù)文件和可能手動記錄的數(shù)據(jù)

文件。

8.1.2測量數(shù)據(jù)資料應(yīng)按照測量次序和測量日期命名，并保存在系統(tǒng)規(guī)定的文件目錄下，文件目錄

按照測量站點(diǎn)命名。文件應(yīng)在24小時(shí)內(nèi)備份在外部儲存介質(zhì)上。

8.1.3數(shù)據(jù)采集要求：

a)氣象信息測量時(shí)間應(yīng)同步或覆蓋差分吸收激光雷達(dá)濃度測量時(shí)間；

b)應(yīng)至少兩個不同高度的風(fēng)速傳感器來描述風(fēng)的垂直分布；

c)差分吸收激光雷達(dá)掃描范圍應(yīng)覆蓋煙羽整體，至少保證在煙羽下方和上方各有1條掃描線；

d)排放速率測量應(yīng)不少3次重復(fù)測量。

8.2數(shù)據(jù)質(zhì)量控制要求

8.2.1為提高差分吸收激光雷達(dá)測量準(zhǔn)確性，激光雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)配置標(biāo)準(zhǔn)氣室測量單元對激光系統(tǒng)參

數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測，標(biāo)準(zhǔn)氣室測量單元如圖3所示，使用分光鏡導(dǎo)出部分測量激光通過標(biāo)準(zhǔn)氣室，在

線監(jiān)測激光通過標(biāo)準(zhǔn)氣室前后的能量差值是否符合該波長下吸收光譜參考值。

圖3標(biāo)準(zhǔn)氣室測量示意圖

8.2.2標(biāo)準(zhǔn)氣室填充的氣體應(yīng)使用可追溯至國家計(jì)量機(jī)構(gòu)或國際標(biāo)準(zhǔn)的參考?xì)怏w或混合氣體。

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8.2.3標(biāo)準(zhǔn)氣室壓力應(yīng)與被測氣體周圍環(huán)境相同。

8.2.4測量期間應(yīng)每天至少一次激光系統(tǒng)光譜參數(shù)檢查，確保測量系統(tǒng)光譜參數(shù)設(shè)置正確。

9系統(tǒng)維護(hù)要求

9.1系統(tǒng)標(biāo)校

應(yīng)對整體測量系統(tǒng)每年標(biāo)定一次，標(biāo)定應(yīng)由專業(yè)人員操作，確認(rèn)滿足5.5指標(biāo)性能要求?？砷_展正

常使用。

9.2質(zhì)量控制文件

應(yīng)建立完善的質(zhì)量控制文件集，不限于標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)范、日常運(yùn)行維護(hù)與質(zhì)量控制規(guī)范、維修記錄、

校準(zhǔn)記錄等。

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