用于水体光学特性探测的海洋激光雷达研究

【摘要】：海洋占地球表面的71%,是世界经济社会发展的重要战略空间,是研究气候变化和地球科学的重要领域。激光雷达具有较高的测量时空分辨率、对观测条件依赖性低和次表层水体的廓线探测能力,且受大气和太阳高度角的影响较小,有力地弥补水色遥感无法进行弱光照探测、极区探测、剖面探测等缺陷。目前,海洋激光雷达仍然有诸多需要攻克的关键技术和难点,围绕的一个核心问题是“如何评估和验证海洋激光雷达对水体光学特性的探测精度”。因此,全面系统地研究海洋激光雷达理论、系统和实验,突破海洋激光雷达探测精度评估和验证关键技术,能够推动海洋激光雷达在海洋光学遥感、海洋科学等领域中的应用。本文主要完善了海洋激光雷达的通用化模型,并进一步解决了海洋激光雷达三个关键技术——实现了海洋激光雷达多次散射辐射传输模型关键技术,研究了相函数对激光雷达反演结果的影响机理,解决了系统响应对海洋激光雷达反演影响问题,为海洋激光雷达的探测精度评估和高精度系统优化指明了方向。根据理论进展,研制了海洋激光雷达系统,将海洋激光雷达的实验测量结果与理论结果进行了对比,完成了理论和实验的统一。主要内容如下:完善了海洋激光雷达的通用化模型,用于理解实际激光雷达信号。具体分析了不同环境条件和系统条件下的激光雷达信号和信噪比,指出了提高激光雷达信噪比的关键因素,为激光雷达的参数选择提供了依据。最后,提出了海洋激光雷达需要解决的三个关键问题。建立了可以仿真海洋激光雷达多次散射信号的标准蒙特卡洛方法、半解析蒙特卡洛方法和考虑了倾斜入射的解析模型,并对三者进行了系统的原理阐述。随后,仿真对比了不同工作条件下三种模型计算的海洋激光雷达信号,讨论了系统参数和水体光学参数对信号的影响。建立的三种海洋激光雷达多次散射辐射传输模型,在计算效率和计算精度方面各有优势,三个仿真手段的结合对实现海水光学特性的高精度反演具有重要理论意义和实用价值。研究了相函数对海洋激光雷达反演的影响。采用建立的激光雷达辐射传输模型,仿真不同相函数情况下的颗粒和分子激光雷达信号,独立研究了 180度体积散射函数和激光雷达衰减系数。仿真探寻了水体180度体积散射函数和激光雷达衰减系数与多次散射和相函数的关系,评估了 180度体积散射函数和激光雷达衰减系数的反演精度。进一步,还对激光雷达衰减系数的高精度反演进行了探索性研究。研究深入探寻了海洋激光雷达多次散射背后的秘密,为海洋激光雷达的反演提供充分的依据。研究了系统响应对海洋激光雷达反演的影响。讨论了系统响应与激光雷达内部器件之间的关系,包括了激光器、探测器和采集卡三个系统器件,并给出了一个根据三个器件性能计算系统响应脉宽的近似模型,研究结果将能够指导对三个器件的匹配选取。进一步,评估了在均匀水体和分层水体中激光雷达系统响应对漫射衰减系数反演精度的影响。研究展示了系统响应对水体信号及其反演结果的影响,并给出了如何选择一个合适的系统响应,以及如何校正系统响应的方案。开展了海洋激光雷达理论和实验的对比工作。将前述反演精度评估的研究成果应用到激光雷达的系统设计中,进而将理论与外场实验的激光雷达信号和反演结果进行比对,验证了理论和实验的正确性。随后,采用通用的海洋激光雷达反演算法,如扰动法和Fernald法,对海洋激光雷达的走航数据进行了分析。结果充分展现激光雷达的理论与实验之间的关系,完善了海洋激光雷达理论-实验的研究体系,最终突破评估和验证海洋激光雷达对水体光学特性的探测精度关键技术。