蓝绿光双波长船载海洋激光雷达系统设计与海上测试

海洋水体的光学特性参数是海洋研究关注的重点之一,大部分光学特性具有随深度变化的特征,而海洋激光雷达是有效探测水体剖面信息的技术手段之一。基于水体光学特性参数剖面探测的需求,研制了蓝绿光双波长船载海洋激光雷达系统,光源采用在水体中衰减系数较小的蓝绿波长以获取更大的探测深度。该系统具备双波长和偏振探测通道,用于同步获取水体后向散射回波信号和偏振信号,可实现近岸和大洋水体的连续探测。文中首先介绍了激光雷达系统的设计方案,包括发射、接收、采集及控制子系统以及辅助设施,随后对数据预处理方法进行了阐述,包括质量控制、峰值位置对齐、去除背景噪声及退卷积等。系统于近海进行探测实验,验证了激光雷达系统的可靠性。结果显示:在清洁大洋水域,486 nm的激光雷达衰减系数小于532 nm,意味着在开阔水域486 nm具有更好的探测性能。

一种基于星载被动遥感的海洋激光雷达标定方法

海洋激光雷达具有强穿水、高垂向分辨、全天时观测等技术特点,在海洋剖面测量上极具应用潜力,而海洋激光雷达的准确测量离不开系统常数的准确标定。针对这一现实需求,文章提出了一种基于星载被动遥感的海洋激光雷达系统常数新型标定方法。该方法基于海洋主被动光学遥感联合模型,通过利用星载被动遥感获取的海面遥感反射率数据,可在全球范围内实现对海洋激光雷达系统常数实时高效标定。基于自研机载海洋激光雷达与在轨Aqua-MODIS数据,在广西北部湾海域对该标定方法开展航飞试验验证,试验结果表明该方法准确有效,利用标定航线完成对激光雷达系统常数标定后,在检验航线中海洋激光雷达实测值与理论值的误差均值为13.7%。

星载海洋剖面多要素探测技术与系统研究

海洋立体结构信息是未来实现海洋透明与海洋强国的基础,针对海洋剖面探测能力不足的问题,以及星载海洋剖面多要素同源同域一体化探测空白,开展星载海洋剖面多要素探测技术与系统方案研究,提出新型激光主被动复合、能谱复用探测技术体制,面向未来星载应用,完成星载海洋剖面多要素探测载荷系统设计。其中,激光器谱段设计为486、532 nm多波长一体化最佳配比输出,光电接收探测系统选用1 m×5 m超大口径可折叠光栅主镜,经过仿真分析,探测系统可实现大洋水深100 m深度、温度、盐度以及后向散射系数等多要素同源探测能力,同等体积包络条件下,能量收集能力提升5倍。

海水表层叶绿素a及悬移质浓度的激光雷达初步探测实验研究

针对海水表层叶绿素a和悬移质浓度在线监测的实际需求,设计并研发了一套双视场海洋激光雷达系统。首先利用实验水槽,在实验室开展了叶绿素a浓度测量实验,其结果与叶绿素荧光计/浊度计测量结果的相关系数为0.94,且不同激光发射能量下测量的叶绿素a的浓度值与叶绿素荧光计/浊度计的结果也趋于一致;同时对不同粒径的悬移质浓度进行了测量,其结果与叶绿素荧光计/浊度计测量结果的相关系数优于0.91。进而利用海洋激光雷达对青岛近海海水表层叶绿素a和悬移质浓度进行了现场观测,其测量结果与叶绿素荧光计/浊度计测量结果的相关系数分别为0.74和0.86,初步验证了自研海洋激光雷达应用于海水表层叶绿素a与悬移质浓度探测上的可行性。

基于激光数据的北极海水二氧化碳分压研究

星载激光雷达作为一种新型的主动遥感技术,为全球海洋昼夜以及极地冬季海水二氧化碳分压的研究提供了可能。研究通过使用云-气溶胶激光雷达与红外探路者卫星(CALIPSO)数据,对全球海表面叶绿素a(Chla)浓度进行了反演,并构建了基于激光数据的前向神经网络模型(FNN-LID),重构了北冰洋海水二氧化碳分压(pCO_(2))昼/夜长时序数据集。在此基础上,对基于主动遥感的极地海水Chla浓度和海水pCO_(2)数据进行了验证与分析。结果显示,基于该算法的反演产品,具有较高的数据质量,不论是和其他被动遥感的产品还是独立浮标观测数据集都有较好的一致性,且能够有效“填充”极地冬季的数据空白。在北冰洋海区,受陆源强烈影响的边缘海都表现为较高的海表Chla浓度。北冰洋海水pCO_(2)的空间格局表现出经向的差异,且pCO_(2)的季节变化十分剧烈,甚至超过80μatm。近20年来,北冰洋稳定地表现为大气二氧化碳的汇,而在东西伯利亚海和喀拉海等海冰显著衰退的地区,海面pCO_(2)的增长率非常显著。

高光谱分辨率的海洋碳颗粒剖面探测系统仿真

海洋是全球碳循环过程中的重要环节,从浮游植物光合作用开始,碳在海洋中沿食物链传递,以颗粒有机碳(POC)形式存在。对海洋中颗粒有机碳含量的探测,将对海洋碳汇能力的评估起到重要作用。在干净大洋水体中,激光雷达可根据浮游植物引起的光学性质变化实现剖面信息的探测,因此对基于高光谱分辨率技术的海洋颗粒有机碳浓度剖面探测系统性能进行了仿真分析。利用激光雷达方程对探测系统在大洋水体的最大探测深度进行了仿真;利用碘分子吸收池作滤波器,并结合大洋水体的透射窗口和激光器的工程设计,分析了不同载荷平台下探测系统的最佳工作波长。仿真结果表明,在满足单次探测系统信噪比为5的探测要求时,大洋水体50 dB动态范围下的探测深度平均在80 m;船载、机载平台探测系统最佳工作波长为532.2451 nm和532.2928 nm。

星载海洋激光雷达最佳工作波长分析

星载激光雷达是实现海洋垂直剖面探测的有效工具,也是目前迫切需求的海洋光学遥感手段。对星载海洋激光雷达的波长参数进行评估对保证探测有效性具有重要意义。本文从探测深度和信噪比两方面分析了星载海洋激光雷达探测全球海洋的最佳波长。利用MODIS 10个波段的水体光学特性数据,估算全球海水探测深度及相应的最优波长;并根据太阳夫琅禾费暗线特性,对信号信噪比进行优化。结果表明:在探测深度方面,最优探测波长在488 nm波段的海洋占全球海洋面积的70%左右,并且全球95%以上的海域在488 nm波段的探测深度优于0.8倍的真光层深度;在信噪比方面,相对于488 nm波段,486.134 nm夫琅禾费暗线处采用0.1 nm带宽的滤光片可以将背景光强度降低70%,相应地回波信噪比整体提升了约5.0%。就全球海洋探测来说,使用486.134 nm作为探测波长可以提高探测深度,有效抑制太阳背景光,提高信噪比,因此,486.134 nm是星载海洋激光雷达的最佳工作波长。

机载海洋激光雷达发展综述

全面地介绍了国内外机载海洋激光雷达的发展历史，对该技术的各个发展阶段进行了评述，最后对其今后的发展趋势做了展望。

机载海洋激光雷达系统的有效衰减系数

本文利用蒙特卡罗模拟技术，研究了有效衰减系数Γ与飞机高度Ｈ和视场角ＦＯＶ等系统参数以及体积衰减系数ｃ和单次散射率ω０等水质参数的关系，首次得到了系统最小有效衰减系数的近似计算公式，该公式给出了系统参数乘积（Ｈ·ＦＯＶ）足够大时Γ与水质参数ｃ，ω０之间的定量关系，为海洋激光雷达系统的设计提供了有力的依据．

海洋表层叶绿素浓度的激光雷达测量方法和海上实验

依据激光感生荧光的原理和叶绿素分子的荧光谱特性，研制一套激发波长为532nm的海洋激光雷达系统，用于海洋表层叶绿素分子浓度的快速测量。应用该系统于1994年10－11月进行一次长距离的海上现场实验，对东海（2－32°N，122—129°E）21个站位的表层叶绿素浓度进行了测量，得到0．15μg/L-1．10μg／L范围的表层叶绿素分子的浓度分布。测量结果与水样的分光光度计测量结果相吻合。

新型多波束陆海激光雷达探测卫星技术发展研究

从国家未来战略需求出发,对发展陆海激光雷达需求进行了分析,介绍了陆海激光雷达的特点和国内外星载激光雷达卫星发展的现状,提出了未来星载陆海激光雷达卫星的发展方向,以及在轨预期数据的应用产品,给出了星载海洋激光雷达关键技术及解决途径,阐述了"十四五"期间陆海激光雷达的应用前景。

云的多次散射对激光雷达测量结果影响的研究

为了更加准确地获得大气消光系数和后向散射系数,利用半解析Monte Carlo方法对云的大气多次散射激光雷达回波信号进行了模拟计算。分析了激光雷达接收视场角及光学厚度对多次散射回波信号的影响及水云和卷云多次散射因子与光学厚度的关系。激光雷达测量数据的对比结果表明,多次散射对卷云和水云消光系数影响较明显,而对后向散射系数的影响可以忽略。

机载双频激光雷达系统设计和研制

针对林业、建筑、近海、岛礁和滩涂的测绘要求,中国科学院上海光学精密机械研究所开发了具有自主知识产权的机载双频激光雷达产品样机,可以同时完成对陆地地形和海底地形进行测绘。该样机在三亚蜈支洲岛进行了飞行试验,最大探测深度达到30 m,等效一类水质条件下可达50 m,最小探测深度达到0.22 m,测深数据和单波束声呐数据对比中误差为0.108 m,实地测量数据和陆地点云量测数据比对中误差为0.18 m,试验结果基本符合设计预期,为进一步产品定型打下了良好的基础。

机载海洋激光雷达系统中的光束扩散

本文用蒙特卡罗模拟方法，研究了用于探测水下目标的海洋激光雷达系统中光束的扩散，得到了各种水质条件下不同深度处水下光斑的半径，结果与国外的有关研究结果相吻合；我们还首次计算了水面上目标返回光斑的半径以及其中的亮度分布，并研究了海浪和泡沫对光束扩散的影响，这些结果对于海洋激光雷达系统的设计具有非常重要的意义。

机载海洋激光雷达信号中噪声的混沌行为初探

以机载海洋激光雷达试验数据为依据，通过接收信号中噪声的相空间重建，相关维分析及李雅普诺夫指数的计算，首次初步揭示了其噪声内在的混沌特性，为提高海洋激光雷达系统的检测性能提供了一条新的途径。

多通道海洋荧光激光雷达溢油监测系统

主要介绍了可用于海上溢油监测的多通道海洋荧光激光雷达系统及实验研究。该激光雷达系统采用Nd：YAG激光器三倍频激光（355 nm）作为探测光源,使用口径为20 cm的卡塞格林望远镜接收海面返回的荧光信号,经光栅光谱仪分光后对380~690 nm范围内的荧光信号进行采集。通过实验室激光诱发油样本的荧光数据分析,研究了不同溢油种类的荧光光谱特征,并给出了区分溢油污染程度的快速分析方法。2009年以来在青岛近海进行多次实验并分析不同的海面污染类型和污染程度,实验结果表明,该雷达系统海面溢油监测性能可靠,能够准确判别溢油种类,并可区分溢油污染程度。最后讨论了雷达探测中存在的噪声影响。

新一代海洋科学卫星的思考与展望

卫星遥感技术因其在海洋科学发展中的重要地位,已成为各国海洋研究的重要方向。本文以已实施的卫星计划为切入点,阐明了海洋科学卫星对海洋科学发展的重大推动作用,指出海洋遥感已进入科学卫星时代。针对当前海洋亚中尺度和近温跃层遥感观测的科学前沿需求,介绍了目前国际上正在实施的新一代科学卫星计划。重点围绕新一代海洋科学卫星的两大代表性载荷——干涉成像高度计和海洋激光雷达,回顾了测高技术和激光雷达技术的发展历程,展望了这两大载荷在亚中尺度海洋学、海洋跃层动力学和大数据海洋学领域的未来潜在应用,对中国海洋科学卫星未来的发展提供有益借鉴。

机载蓝绿激光海洋测深

本文论述了机载蓝绿激光海洋测深的基本原理，讨论了最大探测深度及测深精度，研究了机载激光器选择及大动态范围微弱光信号检测问题，对各国主要机载激光海洋测深系统进行了比较，并分析了我国应用该项技术的紧迫性和可行性。

1.064μm激光在海水中传输特性的研究

为了实现激光雷达监测海洋赤潮的目的,采用红外激光能较好地反映藻类悬浮粒子密度等信息。分别就海水中水分子、浮游植物、黄色物质、悬浮颗粒与1.064μm激光的吸收和散射特性展开研究,最终构建了1.064μm激光在海水中的探测模型。通过对模型的仿真计算可知,红外激光雷达能有效地探测水下0.8m内的海水水域。结果表明,1.064μm激光水下探测深度可满足监测海洋表层藻类粒子密度的要求。

海洋激光荧光雷达海面油膜种类鉴别研究

海洋激光雷达在探测海面油荧光方面的应用 ,受到广泛重视。海洋激光荧光雷达是以物质荧光谱理论为基础 ,将荧光技术应用于海面油膜检测领域。本文介绍了激光荧光原理 ,青岛海洋大学海洋激光雷达的基本结构和工作过程 ,以及该套系统进行海面油膜种类鉴别的使用方法和适用范围。通过实验证明 ,该套系统性能可靠 ,测量值稳定 ,能够进行一定程度上的油荧光测量。提出采用荧光强度 4 35 / 380 ,4 35 / 5 0 0 ,4 35 / 5 5 0 ,3个比值作为油样荧光特性的描述值进行油种鉴别。相对其他的鉴别方法 ,三比值法无须配置溶液 ,适于现场测量。根据系统响应情况提取的特征值不但更有针对性 ,而且由于特征值数量多 ,对荧光谱分布曲线的描述更加准确。