CN113655495B - 一种基于水体漫衰减系数光谱依赖性的星载海洋激光雷达最优波段评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋激光探测技术领域，尤其涉及一种基于水体漫衰减系数光谱依赖性的星载海洋激光雷达最优波段评估方法。该方法可以根据已有波段的漫衰减系数来计算其他波段的漫衰减系数,计算星载海洋激光雷达回波信号,计算星载海洋激光雷达信噪比,计算激光雷达在不同波段下的探测深度，计算星载激光雷达在该点处的最佳波段，计算不同波段占优的比例，评估星载海洋激光雷达最优波段，即最大所对应的波长。本发明可以快速准确的计算激光雷达在不同波段下的探测深度，从而评估星载海洋激光雷达的最优波段。

Description

一种基于水体漫衰减系数光谱依赖性的星载海洋激光雷达最 优波段评估方法

技术领域

本发明属于海洋激光探测技术领域，尤其涉及一种基于水体漫衰减系数光谱依赖性的星载海洋激光雷达最优波段评估方法。

背景技术

现有的用于大气的星载激光雷达CAPLISO和ICESat-2已经展示了强大的海洋探测潜力，但专门用于测海的星载激光雷达还处于研发阶段。对于海洋激光雷达来说，探测波长是十分重要的一个参数，因此，对星载海洋激光雷达的最优探测波段进行评估是十分有必要的。

在对星载海洋激光雷达最优波段评估方面，由于海洋参数的难以获得，现有的一些方法只能针对少数几个已有的波段参数进行评估。目前国内外尚无能对任意波段的星载海洋激光雷达进行最优波段评估的方法。本方法根据水体漫衰减系数的光谱依赖性，能够从已有的波段参数外推到其他波段的水体参数，从而在大量的波段中选取最优的波段，这对星载海洋激光雷达系统设计具有十分重要的意义。

发明内容

为了对星载海洋激光雷达最优波段进行评估，本发明提供一种基于水体漫衰减系数光谱依赖性的星载海洋激光雷达最优波段评估方法。该方法可以快速准确的计算激光雷达在不同波段下的探测深度，从而评估星载海洋激光雷达的最优波段。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种基于水体漫衰减系数光谱依赖性的星载海洋激光雷达最优波段评估方法，该方法依次包括如下步骤：

步骤1：根据已有波段的漫衰减系数来计算其他波段的漫衰减系数K(λ)；

步骤2：计算星载海洋激光雷达回波信号N_s(λ,z)；

步骤3：计算星载海洋激光雷达信噪比SNR_db；

步骤4：计算星载激光雷达在不同波段下的探测深度，所述探测深度是信噪比为0时所对应的深度Z_max(λ)；

步骤5：计算星载激光雷达在该点处的最佳波段，所述最佳波段为各个波长下的最大探测深度对应的波长λ_m；

步骤6：计算不同波段占优的比例P(λ)；

步骤7：根据占比最大的波段评估星载海洋激光雷达最优波段，即最大P(λ)所对应的波长。

作为优选，步骤1所述的根据已有波段的漫衰减系数来计算其他波段的漫衰减系数为：

K(λ)＝M(λ)[K(λ₀)-K_w(λ₀)]+K_w(λ)，

其中，λ为激光波长，K(λ₀)为已有波长的漫衰减系数；K_w(λ₀)为既有波长的水体衰减系数；K_w(λ)为要计算的波长的水体衰减系数；M(λ)为水体漫衰减系数的光谱依赖系数。

作为优选，步骤2所述的星载海洋激光雷达回波信号为：

其中，η为接收器探测效率；P₀为激光器能量；A为探测器接收面积；O为几何重叠因子，T_O为接收器光学透过率；T_a为大气透过率；T_s为海表透过率；v为光速；H为激光雷达所在高度；Δt为激光脉宽；n为海水折射率；z为海水深度；h为普朗克常量；υ为激光波长对应的频率；β_π(λ，z)为海水体散射系数；K_lidar(λ，z′)为激光衰减系数，用步骤1所计算的K(λ)来近似；θ为激光倾角；θ_w为激光在水中的倾角，满足关系sin(θ_w)＝sin(θ)/n。

作为优选，步骤3所述的星载海洋激光雷达信噪比为：

其中，m为探测累积次数；N_d为探测器暗计数；N_b为背景光噪声，计算公式为：

其中，L_B为单位波长的太阳背景光辐射通量；Ω_FOV为接收视场立体角，表示为FOV为接收视场；Δλ为滤波片带宽。

作为优选，步骤4所述的星载激光雷达在不同波段下的探测深度为信噪比为0时的所对应的深度：

Z_max(λ)＝Z_SNR＝0dB(λ)。

作为优选，步骤5所述的星载激光雷达在该点处的最佳波段为各个波长下的最大探测深度对应的波长λ_m：

Z_max(λ_m)＝max{Z_max(λ₁),Z_max(λ₂),…,Z_max(λ_n)}。

作为优选，步骤6所述的不同波段占优的比例：

其中，Area(λ)为该波段为最佳探测波长的面积，Area₀为全球海洋面积。

作为优选，步骤7所述的星载海洋激光雷达最优波段为最大P(λ)所对应的波长。

作为优选，所述的波长为400到700nm。

本发明的有益效果是：根据水体漫衰减系数的光谱依赖性，可以根据已知波段的漫衰减系数来获得任意波段的光学参数，来计算任意波段下的探测深度，获取不同波段占优的比例，从而评估星载海洋激光雷达最优波段。本发明可以用于星载海洋激光雷达系统设计中的波长选取。

附图说明

图1是本方法的流程图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本方法采用典型的激光雷达系统参数作为样例，其激光波长为λ＝532nm，激光能量为E₀＝100mJ，接收面积为A＝1.76m²，重叠因子O＝1，激光雷达高度为H＝400km，接收望远镜视场角FOV＝0.15mrad，滤光片带宽为Δλ＝0.1nm，响应度为η＝0.18，暗计数为N_d＝50Hz，接收器光学透射率为T_o＝0.9，倾角为θ＝0°，典型环境参数海水折射率n＝1.33，海表透射率为T_s＝0.95，背景太阳光单位波长的辐射通量为I_b＝0.1W·m²·nm^-1·sr^-1。

本发明的具体实施方式为：

步骤1：根据已有波段的漫衰减系数来计算其他波段的漫衰减系数K(λ)；

步骤1所述的根据已有波段的漫衰减系数来计算其他波段的漫衰减系数K(λ)为：

K(λ)＝M(λ)[K(λ₀)-K_w(λ₀)]+K_w(λ)，

其中，λ为激光波长，K(λ₀)为已有波长的漫衰减系数；K_w(λ₀)为既有波长的水体衰减系数；K_w(λ)为要计算的波长的水体衰减系数；M(λ)为水体漫衰减系数的光谱依赖系数。可以获取2020年全球K(490)分布结果，即λ₀＝490nm，此时K_w(490)＝0.0224m^-1,计算得到其他波段的漫衰减系数全球分布。

步骤2：计算星载海洋激光雷达回波信号N_s(λ,z)；

步骤2所述的星载海洋激光雷达回波信号N_s(λ,z)为：

其中，η为接收器探测效率；E₀为激光器能量；A为探测器接收面积；O为几何重叠因子，T_O为接收器光学透过率；T_a为大气透过率；T_s为海表透过率；v为光速；H为激光雷达所在高度；n为海水折射率；z为海水深度；h为普朗克常量；υ为激光波长对应的频率；β_π(λ,z)为海水体散射系数；K_lidar(λ,z′)为激光衰减系数，用步骤1所计算的K(λ)来近似；θ为激光倾角；θ_w为激光在水中的倾角，满足关系sin(θ_w)＝sin(θ)/n。

步骤3：计算星载海洋激光雷达信噪比SNR_db；

步骤3所述的星载海洋激光雷达信噪比为：

其中，m为探测累积次数；N_d为探测器暗计数；N_b为背景光噪声，计算公式为：

其中，L_B为单位波长的太阳背景光辐射通量；Ω_FOV为接收视场立体角，表示为FOV为接收视场；Δλ为滤波片带宽。

步骤4：计算星载激光雷达在不同波段下的探测深度；

步骤4所述的星载激光雷达在不同波段下的探测深度为信噪比为0时的所对应的深度：

Z_max(λ)＝Z_SNR＝0dB(λ)。

步骤5：计算星载激光雷达在该点处的最佳波段；

步骤5所述的星载激光雷达在该点处的最佳波段为各个波长下的最大探测深度对应的波长λ_m：

Z_max(λ_m)＝max{Z_max(λ₁),Z_max(λ₂),…,Z_max(λ_n)}。

步骤6：计算不同波段占优的比例；

步骤6所述的不同波段占优的比例：

其中，Area(λ)为该波段为最佳探测波长的面积，Area₀为全球海洋面积。

步骤7：根据占比最大的波段评估星载海洋激光雷达最优波段；

步骤7所述的星载海洋激光雷达最优波段为最大P(λ)所对应的波长。

实施例1

采用2020年Kd490的全球分布“A20200012020366.L3m_YR_KD490_Kd_490_9km.nc”，获得最佳波段全球分布。其中，490nm占比16.8％，远大于其他波长的占比，此实例下的星载海洋激光雷达最优波段是490nm。

实施例2

采用2019年Kd490的全球分布“A20190012019365.L3m_YR_KD490_Kd_490_9km.nc”，获得最佳波段全球分布，其中，485nm占比18.2％，远大于其他波长的占比，此实例下的星载海洋激光雷达最佳探测波段是485nm。

实施例3

采用2018年Kd490的全球分布“A20180012018365.L3m_YR_KD490_Kd_490_9km.nc”，获得最佳波段全球分布，其中，490nm占比17.1％，远大于其他波长的占比，此实例下的星载海洋激光雷达最佳探测波段是490nm。

实施例4

采用2017年Kd490的全球分布“A20170012017365.L3m_YR_KD490_Kd_490_9km.nc”，获得最佳波段全球分布，其中，490nm占比18.7％，远大于其他波长的占比，此实例下的星载海洋激光雷达最佳探测波段是490nm。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于水体漫衰减系数光谱依赖性的星载海洋激光雷达最优波段评估方法，其特征在于，该方法依次包括如下步骤：

步骤1：根据已有波段的漫衰减系数来计算其他波段的漫衰减系数K(λ)；

K(λ)＝M(λ)[K(λ₀)-K_w(λ₀)]+K_w(λ)，

其中，λ为激光波长，K(λ₀)为已有波长的漫衰减系数；K_w(λ₀)为既有波长的水体衰减系数；K_w(λ)为要计算的波长的水体衰减系数；M(λ)为水体漫衰减系数的光谱依赖系数；

步骤2：计算星载海洋激光雷达回波信号N_s(λ,z)；

，

其中，η为接收器探测效率；P₀为激光器能量；A为探测器接收面积；O为几何重叠因子，T_o为接收器光学透过率；T_a为大气透过率；T_s为海表透过率；v为光速；H为激光雷达所在高度；Δt为激光脉宽；n为海水折射率；z为海水深度；h为普朗克常量；υ为激光波长对应的频率；β_π(λ，z)为海水体散射系数；K_lidar(λ，z′)为激光衰减系数，用步骤1所计算的K(λ)来近似；θ为激光倾角；θ_w为激光在水中的倾角，满足关系sin(θ_w)＝sin(θ)/n；

步骤3：计算星载海洋激光雷达信噪比SNR_db；

，

其中，m为探测累积次数；N_d为探测器暗计数；N_b为背景光噪声，计算公式为：

，

其中，L_B为单位波长的太阳背景光辐射通量；

Ω_FOV为接收视场立体角，表示为，FOV为接收视场；Δλ为滤波片带宽；

步骤4：计算星载激光雷达在不同波段下的探测深度，所述探测深度是信噪比为0时所对应的深度Z_max(λ)；

步骤5：计算星载激光雷达在m点处的最佳波段，所述最佳波段为各个波长下的最大探测深度对应的波长λ_m；

步骤6：计算不同波段占优的比例P(λ)；

其中，Area(λ)为该波段为最佳探测波长的面积，Area₀为全球海洋面积；

步骤7：根据占比最大的波段评估星载海洋激光雷达最优波段，即最大P(λ)所对应的波长。

2.根据权利要求1所述的基于水体漫衰减系数光谱依赖性的星载海洋激光雷达最优波段评估方法，其特征在于，步骤4所述的星载激光雷达在不同波段下的探测深度为信噪比为0时的所对应的深度： Z_max(λ)＝Z_SNR＝0dB(λ)。

3.根据权利要求1所述的基于水体漫衰减系数光谱依赖性的星载海洋激光雷达最优波段评估方法，其特征在于，步骤5所述的星载激光雷达在该点处的最佳波段为各个波长下的最大探测深度对应的波长λ_m： Z_max(λ_m)＝max{Z_max(λ₁),Z_max(λ₂),…,Z_max(λ_n)}。

4.根据权利要求1所述的基于水体漫衰减系数光谱依赖性的星载海洋激光雷达最优波段评估方法，其特征在于，步骤7所述的星载海洋激光雷达最优波段为最大P(λ)所对应的波长。

5.根据权利要求1所述的基于水体漫衰减系数光谱依赖性的星载海洋激光雷达最优波段评估方法，其特征在于，所述的波长为400到700nm。