マルチモーダルニューラルネットワークにより大気中CO2センシング性能を向上 (Multimodal Neural Networks Improve Atmospheric CO2 Sensing)

2026-05-15 合肥物質科学研究院(HFIPS)

中国科学院合肥物质科学研究院(HFIPS)の高暁明教授らの研究チームは、大気中CO2カラム濃度を高速・高精度で取得するためのマルチモーダルニューラルネットワーク「MM-LHRNet」を開発した。研究成果は学術誌『Sensors and Actuators B: Chemical』に掲載された。従来のレーザーヘテロダイン放射計(LHR)によるCO2観測では、放射伝達計算や事前大気情報への依存により解析に時間を要していた。本研究では、分光データに加え、気温・気圧プロファイルや太陽天頂角を統合し、放射伝達モデルと再解析データを用いて事前学習を実施した。さらに実測スペクトルとTCCONデータで最適化した結果、標準偏差0.49 ppm、精度約0.11%を達成し、従来法に比べ解析精度を2倍以上、速度を3桁以上向上させた。リアルタイム温室効果ガス監視への応用が期待される。

マルチモーダルニューラルネットワークにより大気中CO2センシング性能を向上 (Multimodal Neural Networks Improve Atmospheric CO2 Sensing)
Time series of daily mean CO2 column concentrations from MM-LHRNet and NLSM. Circles denote the daily mean values. Shaded bands indicate mean ± 1σ (Image by XIONG Hao).

<関連情報>

レーザーヘテロダイン放射測定法を用いた高精度二酸化炭素カラムセンシングのためのマルチモーダルニューラル融合 Multi-modal neural fusion for accurate carbon dioxide column sensing using laser heterodyne radiometry

Hao Xiong, Zhao Chen, Chunyan Sun, Guishi Wang, Kun Liu, Xiaoming Gao
Sensors and Actuators B: Chemical  Available online: 14 April 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.snb.2026.139973

Highlights

  • A novel multimodal neural fusion network is proposed for laser heterodyne sensing.
  • The method eliminates dependence on a priori concentration profiles.
  • A CO₂ column relative precision of approximately 0.11% is achieved.
  • Retrieval speed is improved by more than three orders of magnitude.

Abstract

Laser heterodyne radiometer (LHR) provides high spectral resolution and compact size for atmospheric greenhouse gas column sensing, yet traditional fully physical retrieval algorithms are limited by high computational cost and strong dependence on prior concentration profiles. To address these limitations, we propose a novel multimodal neural network (MM-LHRNet) for CO2 column retrieval based on LHR observations. In atmospheric CO2 monitoring experiments conducted in Hefei, China, the proposed method achieved a standard deviation of 0.49 ppm (corresponding to an precision of approximately 0.11%), significantly outperforming the 1.09 ppm (corresponding to an precision of approximately 0.25%) obtained using the traditional nonlinear least-squares method (NLSM). Furthermore, MM-LHRNet eliminates the need for CO2 prior concentration profiles and improves retrieval speed by more than three orders of magnitude, substantially reducing computational costs. Experimental results show that MM-LHRNet provides a high-precision and efficient retrieval strategy for LHR-based greenhouse gas column measurements, and further offers a novel technical pathway for future real-time atmospheric greenhouse gas retrieval.

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