CN106526611A - 一种利用激光雷达系统测量海洋固有光学参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用激光雷达系统测量海洋固有光学参数的方法，激光雷达系统中的激光发射系统采用532nm波长输出，利用接收系统进行信号接收，接收到的大气和海洋散射信号在接收系统中按1：1分为两路，一路作为参考通道，另一路经过碘分子吸收滤波器作为测量通道，两路光信号经过光电探测器实现光电转换，经信号采集系统输入给处理系统进行处理运算。本发明利用碘分子吸收滤波器，考虑激光海水体的后向散射信号光谱特征，实现了窄线宽的悬浮物散射和宽带的水分子散射的分离测量，具有高光谱分辨特性，拓展了激光雷达系统的对海洋信息的探测范围。

Description

一种利用激光雷达系统测量海洋固有光学参数的方法

技术领域

本发明涉及激光应用科学技术领域，具体是一种利用激光雷达系统测量海洋固有光学参数的方法。

背景技术

海洋次表层的海洋光学参数可以改进海色反演模型，对全球变化和碳循环的研究具有重要的意义，海洋光学参数的测量可以提供更准确的水体后向散射系数，可以改善海色遥感的反演模型，提高反演精度。目前，海洋光学参数的测量一般采用高光谱吸收衰减测量仪或高光谱后向散射仪等仪器实现现场测量，测量方式繁琐，又无法实现大范围测量，或采用卫星海洋遥感由离水辐亮度经过大量的统计回归推算海洋光学参数，误差较大。

激光雷达的发展，实现了激光测量大气气溶胶分布、风廓线、温度廓线等，同样也实现了海底深度信息、海水透过率等信息的测量，尤其是机载系统的应用，使实现大气、海洋的联合观测成为可能，如美国的CALIPSO星载激光雷达，利用532nm激光雷达实现了全球大气气溶胶信息的测量，同时，利用其探测信号也可以提取海表面散射信息及海洋次表层信息；国际上的机载、星载激光雷达也在紧张研发过程中，作为大气激光雷达应用的延伸，迫切需要开展激光海洋测量方面的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高光谱分辨特性的利用激光雷达系统测量海洋固有光学参数的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种利用激光雷达系统测量海洋固有光学参数的方法，包括以下步骤：

1)激光雷达系统中的激光发射系统采用532nm波长输出，利用接收系统进行信号接收，接收到的大气和海洋散射信号在接收系统中按1：1分为两路，一路作为参考通道，另一路经过碘分子吸收滤波器作为测量通道，两路光信号经过光电探测器实现光电转换，经信号采集系统输入给处理系统进行处理运算；

2)运算的具体过程为：接收系统中两个通道探测到的海水体在不同深度r的回波能量分别为P₁(r)和P₂(r)，P₁(r)和P₂(r)求比值运算得R(r)，R(r)为系统比例常数k、纯海水散射信号光谱透过碘分子吸收滤波器后的光谱响应函数f_w、水中悬浮物后向散射信号光谱透过碘分子吸收滤波器后的光谱响应函数f_p、纯海水的后向散射系数b_bw和悬浮物的后向散射系数b_bp(r)的函数，如公式(1)所示；

激光发射频率位于碘分子吸收滤波器透过率曲线谷底时，即1109线，光谱响应函数f_p＝0，得公式(2)

设定系统比例k为1，光谱响应函数f_w通过纯海水的Rayleigh散射光谱与碘分子吸收滤波器透过率函数卷积求解得到，纯海水的后向散射系数b_bw为常数，通过理论计算得到，利用公式(2)计算海水中悬浮物的后向散射系数b_bp(r)为：

b_bp(r)＝b_bw(R(r)'f_w-1) (3)

b_bp(r)为海水深度r的函数；从而获得海水体的后向散射系数[b_bw+b_bp(r)]，代入参考通道的激光雷达方程，进行两边取对数和求导运算，进而求解海水体的消光系数c(r)。

作为本发明进一步的方案：激光发射系统采用单频的532nm激光器，并将频率调节至碘分子吸收滤波器透过率曲线的谷底，接收系统采用望远镜实现光信号采集，采用碘分子吸收滤波器实现悬浮物散射和水分子散射信号光谱的分离测量。

作为本发明进一步的方案：激光雷达系统包括激光发射系统、信号采集系统、处理系统、接收系统、光电探测器与碘分子吸收滤波器，激光发射系统连接接收系统，接收系统通过碘分子吸收滤波器、光电探测器连接信号采集系统，信号采集系统连接处理系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明利用碘分子吸收滤波器，从激光海水体的后向散射信号光谱上实现了窄线宽的悬浮物散射和宽带的水分子散射的分离测量，具有高光谱分辨特性。

(2)利用激光雷达系统探测信号可以直接反演海水中悬浮物的后向散射系数和海水体的消光系数，以及垂直分布信息。

(3)本发明拓展了激光雷达系统的对海洋信息的探测范围。

附图说明

图1是激光雷达系统组成框图；

图2是利用碘分子吸收滤波器实现海水散射分离测量原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例中，本发明主要从激光雷达系统组成、测量原理、固有海洋光学参数反演等方面进行表述。

1)激光雷达系统组成

激光雷达搭载空间移动平台，激光向下观测，激光发射系统采用532nm波长输出，种子注入实现窄线宽，温度调谐实现频率调节，利用望远镜进行信号接收，接收到的大气和海洋散射信号在接收系统中按1：1分为两路，一路作为参考通道，另一路经过碘分子吸收滤波器作为测量通道，两路光信号经过光电探测器实现光电转换，经信号采集系统输入给处理系统。如图1所示。

2)测量原理

海水体的散射信号是两种不同线型宽度光谱信号的叠加，包括窄带的悬浮物粒子的散射和展宽的水分子散射信号。碘分子的第1109特征吸收曲线具有较好的高光谱分辨特性，将出射激光频率调节至1109线的谷底中心，当海水散射信号经过碘分子吸收滤波器后，对不同线宽的悬浮物散射和水分子散射具有不同的吸收特性，故可以用来分离测量海水中的悬浮物的散射信号和水分子散射信号，实现海水体光学参数、悬浮物散射的测量。测量原理如图2所示。

3)海洋光学参数反演方法

采用机载激光雷达的探测模式，接收系统中两个通道探测到的海水体在不同深度r的回波能量分别为P₁(r)和P₂(r)，P₁(r)和P₂(r)求比值运算得R(r)，R(r)为系统比例常数k、纯海水散射信号光谱透过碘分子吸收滤波器后的光谱响应函数f_w、水中悬浮物后向散射信号光谱透过碘分子吸收滤波器后的光谱响应函数f_p、纯海水的后向散射系数b_bw和悬浮物的后向散射系数b_bp(r)的函数，如公式(1)，R(r)大小主要依赖于碘分子吸收滤波器对散射信号的吸收特性。

激光发射频率位于碘分子吸收滤波器透过率曲线(1109线)谷底时，碘分子吸收滤波器对悬浮物散射信号具有很强的吸收，认为为完全吸收，f_p＝0，可得公式(2)

设定系统比例k为1，f_w可以通过纯海水的Rayleigh散射光谱与碘分子吸收滤波器透过率函数卷积求解得到，532nm纯海水的后向散射系数b_bw可以通过理论计算得到，为常数，将f_w和b_bw代入公式(2)可以计算海水中悬浮物的后向散射系数b_bp(r)

b_bp(r)＝b_bw(R(r)'f_w-1) (3)

b_bp(r)为海水深度的函数。获得了海水体的后向散射系数(含纯海水散射和悬浮物散射)，代入参考通道的激光雷达方程，进行两边取对数和求导运算，进而求解海水体的消光系数c(r)。

具体实施例如下所述。

采用种子注入532nm激光波长，将激光出射频率调节至碘分子吸收曲线的谷底中央，接收系统中采用双通道设计实现海水体后向散射信号的测量，一是探测来自于悬浮物散射和水分子散射的总能量P₁(r)，另一个是经过碘分子吸收滤波器后的散射信号能量P₂(r)，海水的后向散射信号经过碘分子吸收滤波器后，由于碘分子滤波器对窄线宽信号具有很高的吸收比，海水中的悬浮物后向散射信号全被滤除，剩下的全部来自于水分子的散射信号，通过两通道的强度比值可以获得海水后向散射比R(r)，代入理论计算的纯海水后向散射系数b_bw和纯海水散射信号透过碘分子吸收滤波器后的光谱响应函数f_w，可以推算海水中悬浮物的后向散射系数b_bp(r)，将海水的总后向散射系数[b_bw+b_bp(r)]代入激光雷达方程，利用总能量探测通道的信号P₁(r)即可解算出海水在不同深度的吸收系数c(r)。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种利用激光雷达系统测量海洋固有光学参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)激光雷达系统中的激光发射系统采用532nm波长输出，利用接收系统进行信号接收，接收到的大气和海洋散射信号在接收系统中按1：1分为两路，一路作为参考通道，另一路经过碘分子吸收滤波器作为测量通道，两路光信号经过光电探测器实现光电转换，经信号采集系统输入给处理系统进行处理运算；

2)运算的具体过程为：接收系统中两个通道探测到的海水体在不同深度r的回波能量分别为P₁(r)和P₂(r)，P₁(r)和P₂(r)求比值运算得R(r)，R(r)为系统比例常数k、纯海水散射信号光谱透过碘分子吸收滤波器后的光谱响应函数f_w、水中悬浮物后向散射信号光谱透过碘分子吸收滤波器后的光谱响应函数f_p、纯海水的后向散射系数b_bw和悬浮物的后向散射系数b_bp(r)的函数，如公式(1)所示；

$R\left(r\right)=k\frac{b_{bw}+b_{bp}\left(r\right)}{f_w{b}_{bw}+f_p{b}_{bp}\left(r\right)}---\left(1\right)$

激光发射频率位于碘分子吸收滤波器透过率曲线谷底时，即1109线，光谱响应函数f_p＝0，得公式(2)

$R{\left(r\right)}^{\′}=k\frac{b_{bw}+b_{bp}\left(r\right)}{f_w{b}_{bw}}---\left(2\right)$

设定系统比例k为1，光谱响应函数f_w通过纯海水的Rayleigh散射光谱与碘分子吸收滤波器透过率函数卷积求解得到，纯海水的后向散射系数b_bw为常数，通过理论计算得到，利用公式(2)计算海水中悬浮物的后向散射系数b_bp(r)为：

b_bp(r)＝b_bw(R(r)'f_w-1) (3)

b_bp(r)为海水深度的函数；从而获得海水体的后向散射系数[b_bw+b_bp(r)]，代入参考通道的激光雷达方程，进行两边取对数和求导运算，进而求解海水体的消光系数c(r)。

2.根据权利要求1所述的利用激光雷达系统测量海洋固有光学参数的方法，其特征在于，激光发射系统采用单频的532nm激光器，并将频率调节至碘分子吸收滤波器透过率曲线的谷底，接收系统采用望远镜实现光信号采集，采用碘分子吸收滤波器实现悬浮物散射和水分子散射信号光谱的分离测量。

3.根据权利要求1所述的利用激光雷达系统测量海洋固有光学参数的方法，其特征在于，激光雷达系统包括激光发射系统、信号采集系统、处理系统、接收系统、光电探测器与碘分子吸收滤波器，激光发射系统连接接收系统，接收系统通过碘分子吸收滤波器、光电探测器连接信号采集系统，信号采集系统连接处理系统。