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星载海洋激光雷达多次散射信号模拟与探测机理研究

刘群  
【摘要】:海洋次表层是浮游生物分布和海气能量交换的主要区域,对海洋生态系统、海洋物质循环以及全球气候变化有着非常重要的作用。海洋次表层的光学特性与浮游生物、营养盐和颗粒物等水体成分有着密切关系。对海洋次表层的光学特性进行高精度探测对研究海洋生命系统、理解海洋在气候变化中作用尤其重要。星载激光雷达具有垂直结构探测能力和不受太阳光限制、能实现长期观测等优点,相比于原位和水色遥感手段具有不可替代的优势,成为目前最有前途的海洋主动遥感工具。目前,各国的星载激光雷达系统仍处于研发阶段,在前期进行正演模型和探测机理研究对设计性能良好的星载激光雷达硬件系统、充分发挥星载激光雷达的遥感能力具有重要意义。本文从星载海洋激光雷达辐射传输正演模型出发,对海洋激光雷达的探测机理、反演算法和硬件参数等进行了探索。主要研究内容如下:利用蒙特卡罗(Monte Carlo,MC)方法建立了星载海洋激光雷达回波信号数值仿真模型。为了对星载海洋激光雷达回波信号有直观的认识本文建立了半解析MC雷达回波信号仿真模型,能够实现对垂直分层的海水进行高效仿真;并通过随机现象学方法对模型的有效性进行了验证。为进一步探究激光雷达的探测机理提供了有效的工具。深入探讨了多次散射效应对激光雷达回波信号的影响,首次提出了激光雷达有效衰减系数随深度变化的非均匀特性以及其与海水固有光学特性(Inherent Optical Properties,IOPs)之间的关系。通过对一类水体的星载激光雷达回波信号的仿真和分析,发现并解释均匀水体中有效衰减系数随深度的变化规律,首次提出有效衰减系数随深度指数衰减的形式。并且通过探讨海水IOPs对多次散射的影响给出了有效衰减系数和深度、海水IOPs之间的具体关系。所提关系式通过了非均匀海水的验证,并能够将激光雷达衰减系数的反演精度提高一个数量级。建立了偏振海洋激光雷达回波信号仿真模型,并分析了多次散射对回波信号偏振特性的影响。采用子午面MC方法构建了半解析MC偏振激光雷达辐射传输仿真模型;搭建了船载偏振激光雷达系统,在中国黄海进行了海试实验,在回波信号和退偏振比这两个方面对模型的有效性进行了充分的验证。并利用该仿真模型对多次散射对星载海洋激光雷达回波信号偏振特性的影响进行了定量分析,为研究偏振激光雷达探测机理、发展偏振激光雷达反演模型提供理论依据。探讨了星载海洋激光雷达辐射传输中不可避免的海气界面问题。对粗糙海面进行了建模,完善了星载激光雷达辐射传输正演模型,利用蒙特卡洛方法全面分析了粗糙海面对激光传输方向和回波信号深度信息精度的影响,对激光雷达为避免海面强反射而应采取的入射角度给出了建议。对上层海洋中因风浪破碎和生物活动产生的气泡特性进行分析,并对水中气泡对激光回波信号偏振特性的影响进行了分析,给出了远洋水体中不可忽视的气泡浓度范围。评估了星载海洋激光雷达多次散射回波信号的最大探测深度和最佳探测波长。以光子计数激光雷达为例,利用全球海洋的水体光学特性参数,计算了星载激光雷达的信噪比,并根据信噪比极限来衡量最大探测深度和对应的最佳探测波长。进一步结合太阳夫琅禾费吸收线的特点,分析对回波信噪比及探测深度的提升情况,提出H-β吸收线作为星载海洋激光雷达最佳探测波长的优势,该结果为研制性能更优的星载海洋激光雷达系统提供了理论指导。


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