海洋激光雷达系统研制及典型探测结果

【摘要】：海洋环境信息的感知是保障海洋环境安全的基础,尤其是在当下全球生态环境问题日益凸显、极端天气不断增多的背景下,人们对全方位、高精度的海洋观测有了更迫切的需求,激光雷达便是一种重要的海洋观测工具。本文研究了集偏振、多视场、荧光和拉曼等多种信号探测能力于一体的高性能船载海洋激光雷达,并进行了信号仿真论证和系统定标校验,同时在中国近海、千岛湖等诸多典型水域中开展了外场实验及应用研究。本文工作贯通了海洋激光雷达的模型机理、仪器研制、反演算法与应用分析,为船载激光雷达观测海洋提供了全链路的解决方案,是未来发展星载海洋激光雷达的基础,对准确估算海洋碳通量、阐明海洋环境动态变化过程和机制,以及更准确地预估未来地球气候系统的变化趋势有重要的作用。本文的主要研究内容如下:开发了一套功能完善、性能稳定、操作便捷的多功能船载海洋激光雷达系统。从发射系统、接收系统和控制系统等方面全面解析了海洋激光雷达的一般性设计原则,历经三代更新,至今已发展为一套兼具米散射激光雷达、偏振激光雷达、荧光和拉曼激光雷达以及多视场激光雷达等功能的综合性海洋激光雷达系统,满足多样化的探测需求。从激光雷达探测原理入手,给出了兼容各种体制海洋激光雷达系统的设计方案;从激光雷达数据预处理出发,厘清了水体光学参数和生物参数的反演算法。海洋激光雷达仪器可快捷地部署于科考船,通过走航观测获得一系列的水体光学特性、生物特性垂直剖面,例如颗粒物后向散射系数、漫射衰减系数、退偏比和叶绿素a浓度等。构建了以解析模型和蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)仿真为核心的海洋激光雷达多参数多体制辐射传输正演方法。激光在水体中传输时伴随着强烈的多次散射效应,相较于单次散射近似下的普通激光雷达方程,解析模型和MC仿真将多次散射考虑在内,构建了高效准确的海洋激光雷达回波信号正演模型,前者胜在仿真效率极高,后者胜在能够模拟最为接近真实情况的激光雷达信号。基于上述仿真手段,探讨了工作高度、接收视场角、水质和水体分层等因素对激光雷达弹性散射信号的影响,分析了平行偏振通道和正交偏振通道信号的变化特点,论证了由荧光拉曼信号比反演叶绿素a浓度的可行性。建立了仪器定标以及原位数据和正演模型相结合的海洋激光雷达信号精准校验的体系。从系统响应、背景偏置、时域偏移、增益非线性等方面阐述了海洋激光雷达仪器定标的必要性及可行性,对激光器和探测器固有性质、环境光干扰等因素造成的信号失真进行定标校正。基于原位仪器同步测量的水体参数,采用激光雷达方程、MC仿真、解析模型等正演方法对不同水质和不同接收视场角下的激光雷达回波信号和激光雷达反演结果进行定量化校验。融合贯通了多种水体光学及生物特性反演方法,并应用于千岛湖、东海和南海等典型水体的探测分析。针对复杂水体探测需求,单一算法难以实现各类目标特性的准确反演,本文综合了斜率法、扰动法、Fernald法、生物光学模型法、拉曼校正荧光法等光学特性和生物特性反演方法,并结合原位仪器数据和水色卫星数据,对典型水体的生物光学特性进行了全面的对比、验证和分析。对夏季千岛湖全域水体进行了走航观测,探讨了这一典型内陆水体受局部气象事件以及地表径流的影响过程;在东海、南海进行了长距离跨度的走航观测,对浙闽粤沿海、珠江口和琼东三大区域的水体特性有了连续、全面的观测数据,并对走航过程中发现的散射层次分布特征进行了具体分析。综上,本文从系统设计、仿真论证、定标校验以及实验应用等方面全方位介绍了一套多功能船载海洋激光雷达系统的研制过程,该仪器在千岛湖、东海、南海等走航观测实验中展现出了准确性、可靠性和稳定性,本研究对推进海洋激光雷达的实用化、进一步构建全球上层海洋三维观测体系具有重要意义。