海洋激光雷达探测卫星技术发展研究

从国家海洋战略需求出发,对我国发展海洋激光雷达必要性进行分析,对海洋激光雷达的特点,以及国内外发展情况进行梳理;分析了目前国内外激光雷达建设规划与已发射星载激光雷达的情况,提出未来星载海洋激光雷达的发展方向,以及在轨预期数据应用产品,讨论了星载海洋激光雷达关键技术,给出了“十四五”期间海洋激光雷达的发展前景。     

固态激光雷达探测器技术发展

激光雷达可高精度、高准确度地获取目标的距离、速度等信息或者实现目标成像,在智慧家庭室内成像、智能交通、卫星测绘、导航等领域具有重要作用。首先介绍了激光雷达的基本原理、主流技术方案和研究必要性;其次针对激光雷达全固态的应用发展需求,介绍了国际机械扫描激光雷达、光学相控阵激光雷达、面阵闪光激光雷达的国内外发展技术趋势,阐述了我国激光雷达技术产品和商业发展现状;最后总结了目前激光雷达存在的问题及不同的解决方案,并对未来发展趋势进行了展望。     

我国将发8颗海洋卫星监测钓鱼岛三沙等

日前,记者从国家海洋局国家卫星海洋应用中心获悉,2020年前,我国将发射8颗海洋系列卫星,形成对我国全部管辖海域乃至全球海洋水色环境和动力环境遥感监测的能力。按照《陆海观测卫星业务发展规划》,这8颗海洋卫星包括4颗海洋水色卫星、2颗海洋动力环境卫星和2颗海陆雷达卫     

星载单光子激光雷达海洋噪声模型

星载单光子激光雷达以超高灵敏度和超高重频的优势,在海洋探测领域展现了广泛的应用前景。雷达系统中的单光子探测器件具有极高的灵敏度,可以探测光子量级的回波信号,同时也极易受太阳背景光噪声影响。由于背景噪声直接影响激光雷达的工作性能,还会对星上原始的数据量产生影响,在卫星系统设计阶段,对噪声强度的准确估计至关重要。本文综合考虑大气后向散射、水面反射及水体后向散射的贡献,建立了一个星载单光子激光雷达海洋噪声的估计模型。以全球首个对地观测星载激光雷达ATLAS为例,在输入系统参数和环境参数后,模型估计的噪声与ATLAS实测噪声误差在15%以内,证实了该噪声模型的正确性。     

星载激光遥感林业应用发展研究

林业测量调查是星载激光遥感的重要应用方向。迄今为止,国外发展了多台套的星载激光载荷已经用于林业遥感。国内资源三号（02）星搭载的激光测距仪实验载荷实现了我国星载激光对地观测的突破,即将发射的陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达也将在林业遥感中取得重要应用。ICESAT-1/GLAS系统全波形数据成功用于全球林地垂直结构调查,ICESAT-2/ATLAS系统以光子探测的方式获取林地点云调查数据,星载激光遥感林业应用从实验、演示验证、进入实用阶段。这期间多型星载激光雷达经过了技术体制的选择、参数的优化,器件技术和处理技术的突破。本文综述了主要在轨服务林业遥感的星载激光雷达的配置和数据应用,研究了星载激光雷达林业遥感的探测机制、技术体制、应用现状、适用范围等,分析总结了各类星载激光雷达林业应用技术特点、发展演化趋势,提出星载激光雷达载荷研制应根据任务应用需求、科学和工程目标,充分发挥激光技术长项,与其他载荷手段优化配置,扬长补短,展望了星载激光雷达林业遥感技术和应用的发展趋势、研究热点及其应用拓展。     

天基大气环境观测激光雷达技术和应用发展研究

根据大气观测目标,从云-气溶胶、风场和大气分子三个主要方向对天基激光雷达在大气环境观测领域的应用、配置和相关技术发展进行了分析,研究了天基大气环境探测激光雷达的探测机制、技术体制、系统配置、应用现状、适用范围、约束条件等,提出天基大气环境观测激光雷达载荷研制应根据任务应用需求、科学和工程目标、各技术体制特点和器件及处理技术特点合理制定指标体系,充分发挥激光技术长项,与其他载荷手段优化配置,技术研究方面应扬长补短短,并在此基础上展望了天基大气环境观测技术和应用的发展趋势、研究热点及其应用拓展。     

CALIOP反演海洋颗粒物后向散射系数方法概述

颗粒物后向散射系数(particulate backscattering coefficient, b_bp)是海洋光学应用于海洋生态学和生物地球化学研究的核心参数。但目前常用的原位方法短时间内无法完成大范围的探测,被动水色遥感无法在缺乏光照以及有云的条件下工作,相比之下,主动遥感方式星载激光雷达可以突破以上限制,在海洋探测方面具有极大的优越性。2006年发射的CALIOP成为首个能够提供全球海洋b_bp数据的星载激光雷达,特别是为极地观测和昼夜观测提供了重要数据。文中详细介绍了CALIOP系统原理及其三级主要数据产品,重点梳理了利用CALIOP 532 nm偏振通道退偏比反演b_bp的方法以及后续的退卷积校正系统瞬态响应等改进措施,总结出了一套详细完整的反演流程,开发出对应算法并展示了b_bp的反演结果,旨在为我国未来星载海洋激光雷达的数据处理及应用工作提供参考。     

量子激光雷达研究综述（特邀）

激光雷达由于探测精度高、功耗低、体积小、易于装备等特点,近年来广泛地应用于预警探测、制导、引信等技术中。但随着实战应用遇到的问题,如各种复杂化场景、敌方对抗干扰,以及新型作战技术的出现,激光雷达遇到了一系列急需解决的难题。文中总结了目前激光雷达在实际应用中遇到的急待解决的问题以及未来激光雷达发展的迫切需求。针对这些难题人们开始了各种探索,但是传统的探测方法和探测技术均遇到了发展瓶颈,很难有效地解决这些问题。因此人们在传统激光雷达基础上结合量子等新技术进行升级,探索下一代新体制量子激光雷达,文中进一步总结了国内外现有多种新型量子激光雷达的工作。通过现有研究成果的梳理和分析有助于深入理解和把握目前量子激光雷达的研究现状和问题,为量子激光雷达未来发展奠定基础。     

基于激光雷达点云应用的通信勘察技术研究

文中探讨了激光雷达在通信勘察中的应用。首先,介绍了激光雷达在通信勘察中的工作原理和优势。然后,阐述了激光雷达在通信勘察中的实际应用场景,并结合国内外相关研究成果,对激光雷达在通信勘察中的应用进行了深入分析。最后,对未来激光雷达在通信勘察中的未来发展进行了展望。     

小卫星载AIS海洋监视技术研究进展

海洋安全是国家安全的基本基础和重要组成部分,海洋监视对维护国家海洋权益,保障国家海洋安全具有重要意义。自动识别系统（AIS）是一种重要的海洋监视手段,但是现有的船载和岸基AIS系统受作用距离的限制,其在大范围甚至全球海洋监视中的重要作用与地位并未得到完全体现。随着航天技术特别是小卫星系统技术的快速发展,基于小卫星载AIS实现大范围甚至全球海洋监视已成为现实与可能。在小卫星载AIS基本原理简介的基础上,分析了小卫星载AIS的主要关键技术,综述了国外基于小卫星载AIS海洋监视技术的研究进展,提出了我国小卫星载AIS发展的技术建议。     

蓝绿光星载海洋激光雷达全球探测深度估算

为了评估和分析激光雷达探测全球海洋光学参数的性能,根据激光雷达方程和给定的激光雷达参数,使用MODIS Level 3全球年平均的海水吸收系数a（）和后向散射系数bb（）数据作为海水光学参数的参考值,对蓝绿光星载海洋激光雷达在全球海洋的探测深度进行了估算和分析。研究结果表明:星载海洋激光雷达探测深度的分布主要依赖于探测波长和水体光学性质,清洁大洋水的最优探测波长在460 nm左右,白天和夜间的最大探测深度分别为~110 m和~120 m;沿岸浑浊水的最优探测波长多在500 nm以上,最大探测深度只能达到20 m或更浅。探测波长为470~480 nm时,星载海洋激光雷达在全球范围内的平均探测能力最佳。     

星载海洋激光雷达叶绿素剖面探测能力估算

为了评估和分析星载海洋激光雷达探测全球海洋光学参数的性能，依据激光雷达方程和蒙特卡罗模型结果模拟计算激光传输信号，开发了星载海洋激光雷达仿真模拟系统。仿真模拟系统由正向模拟、数据反演与误差分析三部分组成，能够模拟激光发射、传输和探测的全过程。根据给定的激光雷达参数，模拟了443 nm、486.1 nm和532 nm波长在地中海、印度洋、南大洋与太平洋四个典型海区的探测信号。研究结果表明，443 nm和486 nm波长的探测深度在各个海区均比较接近，并且均比532 nm更深。在给定的激光雷达参数情况下，486.1 nm波长在太平洋和南大洋的探测深度分别为120 m和70 m，在地中海和印度洋的探测深度均为约100 m。叶绿素a浓度在以上海区的探测深度分别约为80 m、50 m和70 m。     

采用半解析蒙特卡洛技术模拟星载海洋激光雷达回波信号的软件

采用半解析蒙特卡洛方法,开发了一套星载海洋激光雷达回波信号的仿真系统。通过输入激光雷达系统参数和仿真的环境参数,该系统能够模拟具有不同光学特性的大气和海洋的激光雷达回波信号。同时该仿真系统设计了用户友好的软件界面方便用户对输入参数进行操作,并直观地看到输出结果。利用该系统进行了多种仿真,例如不同类型水体以及不同散射相函数的情况,并将仿真结果与理论的激光雷达信号做了对比,具有较高的一致性。该系统对星载海洋激光雷达探测机理的研究有一定的指导意义。     

船载激光雷达测量水体光学参数的仿真模拟研究

激光雷达能够高效获取海洋光学特性的垂直剖面信息,是海洋光学探测的重要手段之一。利用蒙特卡罗仿真方法,基于Gordon(1982)的机载激光雷达测量水体光学参数模型,研究了船载激光雷达在水中的传输过程和水中光场分布。特别研究考虑了接收视场角和望远镜半径等参数的影响,建立了适用于船载海洋激光雷达的模拟系统。在激光雷达的传输等效为太阳光传输后,该模拟系统与常用的HydroLight的模拟进行了比对印证并获得了一致的结果。在此基础上,通过模拟得到的激光雷达回波信号分析了不同激光雷达测量模式及典型水体条件下激光雷达消光系数α和海水光学参数之间的关系。船载激光雷达结果表明,在窄接收视场角情况下,激光雷达消光系数α趋向于水体光束衰减系数c;在宽接收视场角情况下,α趋近于水体的向下辐照度漫射衰减系数K_d。相比机载观测,船载观测的α趋近K_d的速度变缓。在垂直分层水体中,激光雷达在下层水体中测量的α值会向上层水体的α值偏移。该结果为研究海洋激光雷达测量参数与海洋光学参数之间的关系提供了进一步的认知。     

海洋激光遥感技术研究进展(特邀)

国内正处于实施21世纪海洋丝绸之路战略部署的关键时期,发展海洋光学技术是支撑国家中长期发展战略的重要方向。海洋激光遥感技术是海洋光学的重要研究领域之一。激光雷达作为近年来快速发展的新型主动遥感技术,由于其具有高精度及高时空分辨率的优点,已在海洋激光遥感领域得到广泛的应用。文中基于布里渊散射激光雷达和海洋成像激光雷达介绍了海洋激光遥感技术的研究进展,以及我国在水体参数测量、水下目标探测和海洋地形地貌的激光遥感中的应用。     

国外星载激光雷达研究进展

星载激光雷达可以获取全球的高精度地球探测数据,在对地观测中起到越来越重要的作用。介绍了美国和欧洲星载激光雷达的发展历程。从探测原理、探测系统和探测结果等方面分别对地球激光测高系统星载激光雷达、正交偏振云-气溶胶星载激光雷达以及大气激光多普勒测风星载激光雷达进行了详细介绍。并对3台星载激光雷达的接收望远镜的结构和材料进行了分析。可以为我国星载激光雷达的研究提供参考。     

星载激光雷达探测能力的数值模拟分析

为了研究星载大气探测激光雷达的技术参量对其探测性能的影响,采用合适的大气模式和星载大气探测激光雷达设计参量,对其接收的大气后向散射回波信号和探测回波信号的信噪比进行了数值模拟计算;同时模拟分析了星载大气探测激光雷达对沙尘和卷云的探测能力。结果表明,星载大气探测激光雷达对气溶胶的探测水平分辨率应设置为75km,且仅夜晚的探测能力能够达到信噪比大于10的要求;对卷云和沙尘探测水平分辨率应设为7.5km。该结果为该星载大气探测激光雷达的研制提供参量设置的基本依据。     

基于ICCD的机载海洋荧光激光雷达模拟研究

机载海洋荧光激光雷达是最有效的海洋环境监测手段之一, 世界上许多国家发展了机载海洋荧光激光雷达系统,并成功的应用于业务化测量。根据国际机载荧光激光雷达系统发展趋势,本文对基于512通道ICCD的机载海洋荧光激光雷达系统进行了实验室实验模拟和计算,对其可行性进行了评估。本文采用单脉冲能量70uJ的355nm Nd:YAG激光器作为激发光源,直径100mm,的透镜收集探测距离5米远荧光信号,信号具有较好信噪比。模拟计算表明,对于同样基于ICCD探测的机载海洋激光雷达,采用20Hz、单脉冲能量80mJ的激光器和200mm口径望远镜在150米探测距离可获得与实验室相当的结果。