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。     

高光谱分辨率的海洋碳颗粒剖面探测系统仿真

海洋是全球碳循环过程中的重要环节，从浮游植物光合作用开始，碳在海洋中沿食物链传递，以颗粒有机碳(POC)形式存在。对海洋中颗粒有机碳含量的探测，将对海洋碳汇能力的评估起到重要作用。在干净大洋水体中，激光雷达可根据浮游植物引起的光学性质变化实现剖面信息的探测，因此对基于高光谱分辨率技术的海洋颗粒有机碳浓度剖面探测系统性能进行了仿真分析。利用激光雷达方程对探测系统在大洋水体的最大探测深度进行了仿真；利用碘分子吸收池作滤波器，并结合大洋水体的透射窗口和激光器的工程设计，分析了不同载荷平台下探测系统的最佳工作波长。仿真结果表明，在满足单次探测系统信噪比为5的探测要求时，大洋水体50 dB动态范围下的探测深度平均在80 m；船载、机载平台探测系统最佳工作波长为532.245 1 nm和532.292 8 nm。     

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。     

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。     

激光雷达探测水体光学特征参数的方法分析

多次散射是影响激光雷达探测水体光学特征参数（包括吸收系数a,衰减系数c,漫射衰减系数K_d）的重要因素,而视场（field of view, FOV）是造成接收回波中多次散射比重差异的关键参数。研究基于Mclean-Walker海洋激光雷达模型,引入接收视场参数q_rcvr,分别针对船载、机载和星载平台激光雷达进行探测回波计算,假设其探测高度依次为10 m、300 m和7´10⁵ m,在接收视场变化情况下分析多次散射因子对反演水体光学特征参数的影响。结果表明,利用水体中激光散射回波反演水体光学特征参数的方法中,假定激光准直入射,q_rcvr与探测高度H是影响反演结果的直接因素,激光雷达衰减系数K_lidar的物理意义随之变化,当q_rcvr近似为0时K_lidar反演值为衰减系数c,随q_rcvr´H增大,K_lidar反演值逐渐接近于漫射衰减系数K_d。     

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。     

2m衍射口径星载双波长陆海激光雷达系统研究

针对对地三维成像和海洋水深测量的需求,对轨道高度为500 km、口径为2 m的谐衍射光学系统星载双波长陆海激光雷达系统进行了分析。基于单光子阵列探测器,分析了大口径衍射光学系统的光学合成孔径实现方式,并设计了系统参数。波长为1.55μm的陆地观测激光雷达的主要性能指标为：地面像元分辨率4 m,交轨瞬时幅宽4 km,高程测量精度0.3 m。波长为0.516μm的海洋观测激光雷达的可探测水深达30 m。分析了激光本振阵列探测器的结构,提出了基于相干探测的光学合成孔径技术,有望采用计算成像的方式,利用多个子口径的低分辨率复图像信号相干合成高分辨率图像,同时提高图像的信噪比。相同系统参数下的对比分析表明,波长为1.55μm的陆地观测激光雷达采用相干探测体制后,探测性能优于传统的直接探测。采用子口径结构,可降低衍射光学系统的加工难度,同时子口径结构焦距短的特点使得光学系统的轴向尺寸和重量大幅减小。     

1.064μm激光在海水中传输特性的研究

为了实现激光雷达监测海洋赤潮的目的,采用红外激光能较好地反映藻类悬浮粒子密度等信息.分别就海水中水分子、浮游植物、黄色物质、悬浮颗粒与1.064μm激光的吸收和散射特性展开研究,最终构建了1.064μm激光在海水中的探测模型.通过对模型的仿真计算可知,红外激光雷达能有效地探测水下0.8m内的海水水域.结果表明,1.064μm激光水下探测深度可满足监测海洋表层藻类粒子密度的要求.     

机载激光雷达最大探测深度同海水透明度的关系

分析了机载激光雷达最大海水探测深度与透明度盘深度之间的关系,得到了两者之间 关系式,可以根据不同海区海水的透明度估算激光雷达最大探测深度,以利于机载激光测深系统的应用。     

基于蓝绿激光雷达的海洋赤潮探测方法研究

对基于蓝绿激光的海水光学传输信道特性进行了分析,提出了利用蓝绿激光雷达探测海洋赤潮的新方法。利用蓝绿激光具有较强的海水透过性,可以获取较深海域的赤潮信息。通过检测海水中蓝绿激光的后向散射信号,可以实现对海洋赤潮密度信息的获取。在分析海洋赤潮粒子吸收和散射特性的基础上,建立了基于蓝绿激光雷达的海洋赤潮密度探测模型。通过仿真计算,证明该模型可以有效探测出海洋赤潮密度的大小,进而可以实现对海洋赤潮消长过程的监测和预报。     

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。     

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。     

星载多普勒测风激光雷达小型化光学接收机

星载测风激光雷达可以提供全球范围高实时性、高精度、高分辨率的大气风场信息,已经被认为是解决全球化风场观测的最佳手段。我国也在积极开展星载多普勒测风激光雷达相关研究工作。针对400 km高度的卫星轨道,设计并研制了一套多普勒直接测风激光雷达光学接收机,结合双边缘检测原理和星载平台相关技术参数,对Fabry-Perot标准具的主要参数进行设计。为了满足星载平台对稳定性和小型化的需求,接收机中主要光学元件之间采用分子粘接方式紧密连接。整个光学接收机集成在450 mm×300 mm×80 mm密闭箱体中,内部光学元件采用倒插方式沉入接收机壳体的凹槽内,整体结构稳定可靠,集成度高。通过改变激光波长的方式扫描Fabry-Perot标准具的透过率曲线,对所研制的接收机进行了性能测试。并由透过率曲线的实测参数对接收机的测风性能进行仿真,仿真结果显示在30 km处的最大风速误差为2.94 m/s。并进一步分析了接收机带宽增宽对测风精度的影响,分析结果显示带宽偏差为0.43 pm时,会引起1 m/s的风速误差增量。     

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。     

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。     

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。