一種利用激光雷達系統測量海洋固有光學參數的方法與流程

本發明涉及激光應用科學技術領域，具體是一種利用激光雷達系統測量海洋固有光學參數的方法。

背景技術：

海洋次表層的海洋光學參數可以改進海色反演模型，對全球變化和碳循環的研究具有重要的意義，海洋光學參數的測量可以提供更準確的水體后向散射系數，可以改善海色遙感的反演模型，提高反演精度。目前，海洋光學參數的測量一般采用高光譜吸收衰減測量儀或高光譜后向散射儀等儀器實現現場測量，測量方式繁瑣，又無法實現大范圍測量，或采用衛星海洋遙感由離水輻亮度經過大量的統計回歸推算海洋光學參數，誤差較大。

激光雷達的發展，實現了激光測量大氣氣溶膠分布、風廓線、溫度廓線等，同樣也實現了海底深度信息、海水透過率等信息的測量，尤其是機載系統的應用，使實現大氣、海洋的聯合觀測成為可能，如美國的CALIPSO星載激光雷達，利用532nm激光雷達實現了全球大氣氣溶膠信息的測量，同時，利用其探測信號也可以提取海表面散射信息及海洋次表層信息；國際上的機載、星載激光雷達也在緊張研發過程中，作為大氣激光雷達應用的延伸，迫切需要開展激光海洋測量方面的研究。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種具有高光譜分辨特性的利用激光雷達系統測量海洋固有光學參數的方法，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種利用激光雷達系統測量海洋固有光學參數的方法，包括以下步驟：

1)激光雷達系統中的激光發射系統采用532nm波長輸出，利用接收系統進行信號接收，接收到的大氣和海洋散射信號在接收系統中按1：1分為兩路，一路作為參考通道，另一路經過碘分子吸收濾波器作為測量通道，兩路光信號經過光電探測器實現光電轉換，經信號采集系統輸入給處理系統進行處理運算；

2)運算的具體過程為：接收系統中兩個通道探測到的海水體在不同深度r的回波能量分別為P₁(r)和P₂(r)，P₁(r)和P₂(r)求比值運算得R(r)，R(r)為系統比例常數k、純海水散射信號光譜透過碘分子吸收濾波器后的光譜響應函數f_w、水中懸浮物后向散射信號光譜透過碘分子吸收濾波器后的光譜響應函數f_p、純海水的后向散射系數b_bw和懸浮物的后向散射系數b_bp(r)的函數，如公式(1)所示；

激光發射頻率位于碘分子吸收濾波器透過率曲線谷底時，即1109線，光譜響應函數f_p＝0，得公式(2)

設定系統比例k為1，光譜響應函數f_w通過純海水的Rayleigh散射光譜與碘分子吸收濾波器透過率函數卷積求解得到，純海水的后向散射系數b_bw為常數，通過理論計算得到，利用公式(2)計算海水中懸浮物的后向散射系數b_bp(r)為：

b_bp(r)＝b_bw(R(r)'f_w-1) (3)

b_bp(r)為海水深度r的函數；從而獲得海水體的后向散射系數[b_bw+b_bp(r)]，代入參考通道的激光雷達方程，進行兩邊取對數和求導運算，進而求解海水體的消光系數c(r)。

作為本發明進一步的方案：激光發射系統采用單頻的532nm激光器，并將頻率調節至碘分子吸收濾波器透過率曲線的谷底，接收系統采用望遠鏡實現光信號采集，采用碘分子吸收濾波器實現懸浮物散射和水分子散射信號光譜的分離測量。

作為本發明進一步的方案：激光雷達系統包括激光發射系統、信號采集系統、處理系統、接收系統、光電探測器與碘分子吸收濾波器，激光發射系統連接接收系統，接收系統通過碘分子吸收濾波器、光電探測器連接信號采集系統，信號采集系統連接處理系統。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

(1)本發明利用碘分子吸收濾波器，從激光海水體的后向散射信號光譜上實現了窄線寬的懸浮物散射和寬帶的水分子散射的分離測量，具有高光譜分辨特性。

(2)利用激光雷達系統探測信號可以直接反演海水中懸浮物的后向散射系數和海水體的消光系數，以及垂直分布信息。

(3)本發明拓展了激光雷達系統的對海洋信息的探測范圍。

附圖說明

圖1是激光雷達系統組成框圖；

圖2是利用碘分子吸收濾波器實現海水散射分離測量原理圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

實施例1

本發明實施例中，本發明主要從激光雷達系統組成、測量原理、固有海洋光學參數反演等方面進行表述。

1)激光雷達系統組成

激光雷達搭載空間移動平臺，激光向下觀測，激光發射系統采用532nm波長輸出，種子注入實現窄線寬，溫度調諧實現頻率調節，利用望遠鏡進行信號接收，接收到的大氣和海洋散射信號在接收系統中按1：1分為兩路，一路作為參考通道，另一路經過碘分子吸收濾波器作為測量通道，兩路光信號經過光電探測器實現光電轉換，經信號采集系統輸入給處理系統。如圖1所示。

2)測量原理

海水體的散射信號是兩種不同線型寬度光譜信號的疊加，包括窄帶的懸浮物粒子的散射和展寬的水分子散射信號。碘分子的第1109特征吸收曲線具有較好的高光譜分辨特性，將出射激光頻率調節至1109線的谷底中心，當海水散射信號經過碘分子吸收濾波器后，對不同線寬的懸浮物散射和水分子散射具有不同的吸收特性，故可以用來分離測量海水中的懸浮物的散射信號和水分子散射信號，實現海水體光學參數、懸浮物散射的測量。測量原理如圖2所示。

3)海洋光學參數反演方法

采用機載激光雷達的探測模式，接收系統中兩個通道探測到的海水體在不同深度r的回波能量分別為P₁(r)和P₂(r)，P₁(r)和P₂(r)求比值運算得R(r)，R(r)為系統比例常數k、純海水散射信號光譜透過碘分子吸收濾波器后的光譜響應函數f_w、水中懸浮物后向散射信號光譜透過碘分子吸收濾波器后的光譜響應函數f_p、純海水的后向散射系數b_bw和懸浮物的后向散射系數b_bp(r)的函數，如公式(1)，R(r)大小主要依賴于碘分子吸收濾波器對散射信號的吸收特性。

激光發射頻率位于碘分子吸收濾波器透過率曲線(1109線)谷底時，碘分子吸收濾波器對懸浮物散射信號具有很強的吸收，認為為完全吸收，f_p＝0，可得公式(2)

設定系統比例k為1，f_w可以通過純海水的Rayleigh散射光譜與碘分子吸收濾波器透過率函數卷積求解得到，532nm純海水的后向散射系數b_bw可以通過理論計算得到，為常數，將f_w和b_bw代入公式(2)可以計算海水中懸浮物的后向散射系數b_bp(r)

b_bp(r)＝b_bw(R(r)'f_w-1) (3)

b_bp(r)為海水深度的函數。獲得了海水體的后向散射系數(含純海水散射和懸浮物散射)，代入參考通道的激光雷達方程，進行兩邊取對數和求導運算，進而求解海水體的消光系數c(r)。

具體實施例如下所述。

采用種子注入532nm激光波長，將激光出射頻率調節至碘分子吸收曲線的谷底中央，接收系統中采用雙通道設計實現海水體后向散射信號的測量，一是探測來自于懸浮物散射和水分子散射的總能量P₁(r)，另一個是經過碘分子吸收濾波器后的散射信號能量P₂(r)，海水的后向散射信號經過碘分子吸收濾波器后，由于碘分子濾波器對窄線寬信號具有很高的吸收比，海水中的懸浮物后向散射信號全被濾除，剩下的全部來自于水分子的散射信號，通過兩通道的強度比值可以獲得海水后向散射比R(r)，代入理論計算的純海水后向散射系數b_bw和純海水散射信號透過碘分子吸收濾波器后的光譜響應函數f_w，可以推算海水中懸浮物的后向散射系數b_bp(r)，將海水的總后向散射系數[b_bw+b_bp(r)]代入激光雷達方程，利用總能量探測通道的信號P₁(r)即可解算出海水在不同深度的吸收系數c(r)。

對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。