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。     

蓝绿光双波长船载海洋激光雷达系统设计与海上测试

海洋水体的光学特性参数是海洋研究关注的重点之一,大部分光学特性具有随深度变化的特征,而海洋激光雷达是有效探测水体剖面信息的技术手段之一。基于水体光学特性参数剖面探测的需求,研制了蓝绿光双波长船载海洋激光雷达系统,光源采用在水体中衰减系数较小的蓝绿波长以获取更大的探测深度。该系统具备双波长和偏振探测通道,用于同步获取水体后向散射回波信号和偏振信号,可实现近岸和大洋水体的连续探测。文中首先介绍了激光雷达系统的设计方案,包括发射、接收、采集及控制子系统以及辅助设施,随后对数据预处理方法进行了阐述,包括质量控制、峰值位置对齐、去除背景噪声及退卷积等。系统于近海进行探测实验,验证了激光雷达系统的可靠性。结果显示：在清洁大洋水域,486 nm的激光雷达衰减系数小于532 nm,意味着在开阔水域486 nm具有更好的探测性能。     

光电倍增管后脉冲特性的标定与校正

为了能够准确地反映出激光雷达接收的光信号, 需要对其使用的光电倍增管的后脉冲特性进行校正和标定。采用后脉冲概率分布函数分别对波长为486nm和532nm的机载海洋激光雷达测深数据进行理论分析和实验验证, 并将校正结果与蒙特卡洛仿真模拟得到的数据进行比较。结果表明, 利用后脉冲概率分布函数校正后的数据与蒙特卡洛仿真模拟得到的数据相关性分别高达0.9689(486nm), 0.8648(532nm), 校正后的数据与校正前相比分别去除了约98m(486nm)和33m(532nm)的假信号, 有效地提高了海洋激光雷达测量的准确度。该研究对于准确测量海洋深度、海底地貌特征等海洋特性有一定的推动作用。     

星载海洋剖面多要素探测技术与系统研究

海洋立体结构信息是未来实现海洋透明与海洋强国的基础,针对海洋剖面探测能力不足的问题,以及星载海洋剖面多要素同源同域一体化探测空白,开展星载海洋剖面多要素探测技术与系统方案研究,提出新型激光主被动复合、能谱复用探测技术体制,面向未来星载应用,完成星载海洋剖面多要素探测载荷系统设计。其中,激光器谱段设计为486、532 nm多波长一体化最佳配比输出,光电接收探测系统选用1 m×5 m超大口径可折叠光栅主镜,经过仿真分析,探测系统可实现大洋水深100 m深度、温度、盐度以及后向散射系数等多要素同源探测能力,同等体积包络条件下,能量收集能力提升5倍。     

激光大气传输特性及其回波信号仿真研究

基于Rayleigh散射和Mie散射理论,利用已有的中光谱分辨率大气辐射传输模式(MODTRAN)数据及参考模式大气(RMA)数据资料,对355nm、2μm、10μm激光信号的散射、消光、透射等大气传输特性进行了仿真和比较。同时利用高斯函数分析了355nm波长处的Rayleigh和Mie回波信号光谱分布,并模拟了不同高度处的大气回波信号光谱。结果表明:与2μm、10μm相比,355nm波长的激光信号的散射特性较好;其在大气中传输时,衰减严重,适用于晴空大气;该波段的多普勒测风激光雷达接收到的回波信号在底层以Mie信号为主,高层以Rayleigh信号为主;综合考虑各种因素,选用355nm作为星载多普勒测风激光雷达的工作波长。     

CALIOP反演海洋颗粒物后向散射方法

云和气溶胶探测激光雷达( Cloud-aerosol lidar with orthogonal polarization, CALIOP)能够发射532 nm 和 1064 nm 两种波长激光脉冲,主要用于大气中云和气溶胶的探测。532 nm激光脉冲在海洋表面有很好的穿透性,能获得海表以下的 后向散射信号。利用CALIOP数据对直接提取水下信号和瞬态响应校正提取水下信号两种方法进行对比研究。首先,反演 得到海洋次表层水下信号,进而反演海洋颗粒物后向散射,并与中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS)反演的颗粒物后向散射进行对比。颗粒物后向散射差值的均值分别为0.0035、0.0027; 标准偏差分别为0.4004、0.0042。表明校正方法反演的颗粒物后向散射与MODIS反演颗粒物后向散射更为接近。     

基于单光子的星载激光水下目标探测深度研究

卫星对海探测具有大面积同步观测、全天时工作、不受领海领空限制等优点。为此,本文分析了卫星对海探测的激光链路损耗,构建了星载激光水下目标探测能量传输模型,探讨了基于单光子机制的星载激光对水下目标探测的极限深度。结果表明,在Ⅰ类海区,对于水下等效直径为2 m的物体,星载激光在200 km高度对水下目标探测的最大深度为212 m。因此,在中低轨道开展星载激光对深海水下目标进行探测是可能的。本文的研究工作为进一步开展星载激光深海水下目标探测提供支持。     

海洋激光雷达测量水体剖面偏振信号的仿真模拟

基于蒙特卡洛模拟方法,建立了一个水中激光偏振辐射传输模型,用于模拟分析船载偏振激光雷达水体垂直剖面的偏振探测回波,分析了不同光学参数的水体和激光雷达测量模式下的偏振测量误差。使用高斯分布设置了三种深度分布在10~30 m的低、中、高浓度散射层,其叶绿素a峰值浓度分别为0.1 mg/m3、1 mg/m3和10 mg/m3。模拟了激光发射波长为532 nm,接收视场角为10~1000 mrad的船载海洋激光雷达的偏振回波信号,并分析了影响偏振测量误差的主要因素。研究结果表明,由于激光在水中的多次散射过程,随着探测深度、叶绿素a浓度和接收视场角的增大,激光雷达接收光信号的单次散射率不断降低,导致激光雷达直接测量的退偏振比的误差随之增大。以100 mrad接收视场角为例,中浓度散射层情况下,在散射层上（0~10 m）、散射层中（10~30 m）和散射层下（30~40 m）的退偏振比相对误差分别为16%、125%、281%;在散射层中,低、中、高三种浓度散射层的退偏振比相对误差分别为54%、125%、731%。视场角从10 mrad增大到1000 mrad时,退偏振比相对误差逐渐增大,在中浓度散射层情况下,其在散射层上、散射层中和散射层下的变化范围分别为6%~28%、17%~452%和10%~734%。文中结果表明,偏振海洋激光雷达探测水体退偏振比时,由于多次散射过程的影响,传统的退偏振比算法会引入较大误差,有必要在反演算法中对其进行校正,以提高激光雷达的探测精度。     

星载大气探测激光雷达探测能力的数值模拟分析

星载大气探测激光雷达的技术参数对其探测性能有重要的影响,本文使用合适的大气模式和星载大气探测激光雷达设计参数,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。本文结果为该星载大气探测激光雷达的研制提供参数设置的基本依据。     

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。     

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。     

新型多波束陆-海激光雷达探测卫星技术发展研究

从国家未来战略需求出发,对发展陆海激光雷达需求进行了分析,介绍了陆海激光雷达的特点和国内外星载激光雷达卫星发展的现状,提出了未来星载陆海激光雷达卫星的发展方向,以及在轨预期数据的应用产品,给出了星载海洋激光雷达关键技术及解决途径,阐述了“十四五期间”陆海激光雷达的应用前景。     

ICESat-2激光雷达海面信号提取和海浪要素计算

美国NASA于2018年发射的ICESat-2 (The Ice, Cloud, and land Elevation Satellite-2)卫星上搭载的ATLAS (Advanced Topographic Laser Altimeter System)是目前为止全球唯一一个对地观测的星载光子计数激光雷达,具有较高的轨向空间采样率,为用遥感的方法探测海浪要素提供了可能。光子计数激光雷达用于海浪探测的前提是能够准确地提取来自海面的信号光子,并确定瞬时的海面廓线。迄今为止,用星载光子计数激光雷达探测海面形态和海浪要素的研究鲜见报道,也缺少专门针对海面信号光子的提取方法。基于海面信号光子的分布特点,文中提出了一种新的信号提取算法：首先通过直方图统计及自适应的阈值选取完成对海面回波光子的粗去噪;然后基于激光雷达光斑尺寸和海面波动特点,选取合适的搜索邻域计算信号点和噪声点密度,根据两者点密度差异对信号光子和噪声光子分类;最后用高斯函数拟合的方法进一步去除密度较大的后向散射噪声光子,最终得到来自海面反射的信号光子。利用上述算法提取了太平洋7个不同海况区域的海面信号光子和瞬时海面廓线并进一步计算...     

小视场大气温湿度探测的拉曼激光雷达的设计与仿真

太阳光背景辐射严重影响拉曼激光雷达白天探测的性能。为提高拉曼激光雷达白天探测的高度和精度,设计了激光波长为354.8 nm的拉曼激光雷达系统,讨论了354.8 nm和532 nm激光光源对拉曼激光雷达探测性能的影响,完成了系统的光路设计。偏振分光棱镜和1/4波片组成的光开关与收发合置的望远镜相结合,减小了系统的接收视场角,优化了白天探测的性能。以最小的温度不确定度为标准,通过仿真分析选取了转动拉曼通道干涉滤光片的各项参数,并对系统的探测性能进行了仿真。仿真过程中激光能量取200 mJ,频率50 Hz,积分时间20 min,距离分辨率105 m。收发合置的拉曼激光雷达系统在考虑退偏的情况下,白天探测的温度不确定度在3180 m以下小于1 K。白天探测水汽混合比的统计误差在2400 m以下,小于0.001 g/kg。仿真结果表明,白天探测的性能得到了一定程度的提高。     

典型滤波器对星载高光谱分辨率激光雷达532 nm通道回波信号的影响

高光谱分辨率激光雷达（High Spectral Resolution Lidar,HSRL）系统利用窄带滤波器将激光雷达回波信号中的大气粒子（云或气溶胶）散射和分子散射成分分开,提升了云或气溶胶光学特性的反演质量。提出了一种基于HSRL探测原理的HSRL回波信号模拟方法,其原理是利用CALIPSO云/气溶胶消光系数产品和数值天气预报数据被用来仿真星载HSRL 532 nm回波信号。两种典型的窄带光谱滤波器:FPI（Fabry-Prot Interferometer）和碘吸收滤波器,作为分子通道滤波器的性能通过仿真的星载HSRL回波信号进行分析。对三种典型:晴空、卷云、气溶胶（两层厚云）的HSRL回波廓线进行详细的敏感分析表明碘分子吸收滤波器的性能明显优于FPI滤波器,其中碘吸收滤波能保持可以忽略不计的相对偏差（4.010-3%）,这是由低光学厚度（1.0）的粒子后向散射效应引起的。但是,如果FPI滤波器的粒子后向散射透过率能保持在10-3水平以下,其仍不失为是一个好的选择。     

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。     

临近空间多普勒激光雷达技术及其应用（特邀）

研制了车载钠荧光散射多普勒激光雷达和车载532 nm瑞利散射多普勒激光雷达用于测量临近空间大气温度和风场。在钠荧光散射多普勒激光雷达中使用了三频比率多普勒测量方法获得80~100 km的温度和风场。在532 nm瑞利散射多普勒激光雷达中,使用碘分子吸收线边缘技术测量70 km 以下的风场,使用积分方法测量80 km以下的温度。在距离分辨率为1 km、时间分辨率为1 h情况下,40 km处的大气温度、风速测量不确定度约为0.2 K和0.4 m/s;70 km处约为1.5 K和5.5 m/s;92 km处约为0.3 K和1.0 m/s。这两部激光雷达已经在北京、青海、甘肃等地进行了长期观测,应用于临近空间环境特性研究。