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机载海洋激光荧光雷达软硬件设计与飞行实验

张凯临  
【摘要】:机载海洋激光荧光雷达是遥感领域的一项前沿技术,具有高效、实时、测量准确等优点。随着激光雷达技术的完善和它日益广阔的应用前景,2001年,中国海洋大学海洋遥感研究所承担了国家863资源与环境技术领域的“机载海洋激光雷达海洋环境监测技术”课题,开始研制用于测量海表层叶绿素浓度的机载海洋激光荧光雷达。2003年11月,机载海洋激光荧光雷达系统安装在国家海洋局北海分局的中国海监B-3807飞机上,成功的进行了首次飞行实验。 本论文围绕此课题展开讨论,分为四部分:第一部分为基本原理与发展综述,介绍了机载海洋激光雷达的基本测量原理、应用、国内外海洋激光雷达的发展、现状以及未来的发展趋势;第二部分为机载海洋激光荧光雷达系统硬件设计与实现;第三部分为海洋激光荧光雷达系统软件设计与实现;第四部分为实验以及实验结果的分析和讨论,最后是总结。 第一部分首先简述海洋激光雷达测量海表层叶绿素a浓度的原理,然后介绍了机载海洋激光雷达在浅海地形测量、海洋生态环境监测和海色卫星印证领域的应用,最后介绍国内外海洋激光雷达的发展和现状,国外发达国家的机载海洋激光雷达已经比较成熟,然而国内的机载系统还刚起步,相对于海洋环境监测的需求,必须加快发展。而且依据国内海洋激光雷达的现状,总结了海洋激光雷达的发展趋势。 第二部分介绍了运用计算机工程学的原理,进行海洋激光雷达系统的硬件设计和机械结构设计。系统硬件包括激光发射、荧光和喇曼接收、分光系统、光电转换和数据采集处理五大部分,系统使用355nm紫外激光作为激发光源,提高叶绿素a荧光的激发效率,同时分析了激光的人眼安全参数,保证在飞行高度高于150米时,激光对于海面的人眼是安全的;信号接收部分采用光纤作为信号传输方式,望远镜接收的信号经过光纤耦合透镜进入光纤。分析了望远镜接收视场参数,并确定了光纤耦合透镜的参数。然后分析接收视场和激光束的重叠区域受飞机飞行高度的影响,确定了望远镜和激光器的间距。分光系统采用改造的光纤光谱仪,依据对不同波长光学效率的分析选择适合的光栅,分析光谱仪内部光路,确定光谱分辨率,然后根据荧光和喇曼的带宽确定通道狭缝的实际宽度。在荧光和喇曼通道采用干涉滤光片,有效的抑制了背景光和激光的海面反射和水体回向散射光。光电转换采用光电倍增管,该倍增管具有高灵敏度和低噪声,数据采集利用40MHz采样卡完成。机械结构介绍了系统在飞机上的布放、激光雷达头部和


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