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。     

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。     

海洋探测布里渊雷达的关键技术及发展概况

海洋探测布里渊雷达结合了布里渊散射、激光雷达和遥感技术,是一种新颖的频率探测激光雷达,可以抵御幅度噪声,具有相当高的信噪比,抗干扰性强、测量精度高.分析了布里渊散射雷达系统的关键技术,概要地介绍了国内外布里渊雷达关键技术的发展状况,并讨论了布里渊雷达技术在海洋探测领域的实用化进程及应用前景.     

“激光雷达”专栏序言

随着激光技术和光电探测技术的发展,激光遥感技术也得到迅速发展和广泛应用。相比其他遥感设备,激光雷达具有探测精度高,时空分辨率高的优势,在大气环境、气候、气象研究领域方面受到广大科研:工作者的关注。激光雷达的探测空间从近地表的对流层、平流层一直到中间层(0~120 km);探测对象从气溶胶、云、污染气体、湍流、大气温湿度及风场等各种大气参量。近些年,单光子探测技术、量子雷达等新技术不断涌现,并成功应用于激光雷达探测,进一步拓宽和扩展了激光雷达的探测能力。     

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。     

偏振海洋激光雷达探测黄海水母特性

近年的研究表明:全球的许多海湾和海区出现水母数量增加甚至暴发的现象，对海洋生态环境、海洋渔业、滨海旅游业、核电安全等产生了负面影响。2017年8月，自主研制的船载偏振海洋激光雷达在黄海海域开展了实验测量，观测到丰富的强散射个体信号，结合视频监控信息，判断信号来源于水母（沙海蛰），证明偏振海洋激光雷达能够实现水母个体的遥感探测。研究结果表明，同一水域水母的光学特性表现出聚类的特点；不同水域的水母信号对比度相近、退偏率不同，说明水母的光学特性与其生存水域环境密切相关。因此，偏振海洋激光雷达可以高效、经济、精确监测水母分布和数量变动状况，其未来的推广可以完善我国海域水母动态监测手段。     

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。     

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。     

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。     

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。     

大气遥感高光谱分辨率激光雷达研究进展

高光谱分辨率激光雷达由于可实现对大气参数的精确反演,在大气遥感领域具有较好的发展前景。介绍了高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶、大气温度以及风速的基本原理以及目前国内外的研究进展,并重点介绍了高光谱分辨率激光雷达系统中的鉴频技术、激光技术、锁频技术以及数据处理技术等几项关键技术。     

激光雷达监测海面溢油遥感理论

超连续谱激光在保持激光原有的高能量密度和良好的方向性的基础上,还具有较宽测量谱段的特点,因此与传统的被动式遥感方式相比,超连续谱激光雷达具有很多独特的优势。在海面溢油探测领域,对溢油事故的发生进行及时而准确的监测是十分重要的,当前采用的遥感探测技术均存在各种缺陷,而超连续谱激光雷达能够在夜晚和白天持续工作,且由于探测信号为回波信号,因此能够实现较大的探测距离和较高的遥感精度。本文主要从海面溢油监测现状、大气对激光传输的影响以及海面溢油高光谱遥感原理入手,对激光雷达海面溢油遥感理论进行了介绍。     

基于差分吸收激光雷达有毒有害气体遥测进展

差分吸收激光雷达具有探测距离远、灵敏度高、响应时间快等特点,可用于大范围大气有毒有害气体的遥感监测,成为近年来大气有毒有害气体激光遥测技术发展的重点。首先阐述了差分吸收激光雷达大气遥测基本原理,其次从激光器应用和系统平台发展两个方面分析了该技术的技术发展现状,最后提出了宽光谱、多波长、新探测体制的激光雷达、多平台应用、复合系统将成为未来基于差分吸收激光雷达有毒有害气体遥测发展方向。     

大气光学湍流廓线探测方法研究进展

激光在大气传输过程中,由于湍流折射率的随机起伏会引起波前畸变、光斑漂移、闪烁等一系列光学湍流效应,因此严重制约了遥感成像系统和激光通信技术的发展.通过分析大气光学湍流对多个领域的影响,指出了探测大气光学湍流廓线的重要意义.要想获取光学湍流的时空分布规律并准确评估光学湍流对光学成像或激光传输系统的影响,就必须对光学湍流进...     

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。     

激光器重复频率对多普勒激光雷达信噪比影响的模拟研究

多普勒激光雷达在风场测量和数值天气预报等方面有重要意义,而信噪比则是衡量系统测量精度的重要参数.以2007年中国海洋大学研制的我国第一台车载多普勒测风激光雷达系统为参考,模拟了在相同平均功率下,使用4种重复频率不同的激光器的激光雷达系统测量海面风场中的信噪比,并与汕尾测量的海面风场数据进行了对比,模拟数据和实测数据能够较好吻合,模拟结果证明使用低重复频率激光器的激光雷达系统能够获得较高的信噪比.而根据多普勒激光雷达业务测量要求,要求比较高的激光重复频率,通过模拟研究,建议选择激光器激光重复频率500～1000 Hz.     

固态激光雷达探测器技术发展

激光雷达可精确采集目标的距离和速度信息,并可实现目标探测与成像,因此在智能交通、无人机避障、智慧家庭、卫星测绘与导航等领域具有重要的应用前景。首先介绍了激光探测的基本原理、主流技术方案以及研究必要性;其次,针对激光雷达固态化和小型化集成的应用需求,介绍了国际上光学相控阵激光雷达、机械扫描激光雷达和闪光激光雷达的技术发展动态,并阐述了我国激光雷达技术、产品和商业发展现状;最后提出了激光雷达技术面临的挑战以及可能的解决方案,并对其发展趋势进行了展望。     

光栅型可调谐掺铥连续光纤激光器研究进展

2 μm波长可调谐掺铥连续光纤激光器具有调谐范围宽、输出线宽窄和噪声低等特点,在激光雷达、遥感、光通信、光谱分析、环境监测及激光医疗等领域具有重要应用,近年来成为光纤激光技术领域的研究热点.文章首先介绍了可调谐光纤激光器中实现波长选择的各类光栅元件的基本结构及工作原理,涉及到的光栅元件主要包括闪耀光栅、体布拉格光栅和光纤光栅;其次重点阐述了基于光栅的可调谐掺铥连续光纤激光器在国内外的研究进展,最后对其未来的发展趋势做出展望.     

海洋激光雷达实验与仿真结果的对比

海洋激光雷达是探测上层海水并构建海洋立体观测网络的重要遥感设备。文中将激光雷达实验数据与MC (Monte Carlo)仿真、解析模型、原位数据进行综合对比,检验它们的匹配程度。与实验实测的激光雷达回波信号相比,MC仿真和解析模型均有很高的一致性(R^2>0.97),将原位漫射衰减系数(Kd)近似代入普通激光雷达方程也有较好的一致性(R^2>0.92)。反演得到的激光雷达衰减系数(α)表现出了相似的结果,MC仿真和解析模型具有更佳的一致性。结果表明:海洋激光雷达实验结果能与MC和解析模型的仿真结果很好地匹配。     

星载云–气溶胶激光雷达光机系统结构及研究进展

气溶胶辐射强迫效应主要通过气溶胶与辐射相互作用(aerosol-radiation interaction, ARI)和气溶胶与云相互作用(aerosol-cloud interaction, ACI)两种途径来影响地球辐射收支平衡,联合国气候变化政府间专家委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)在第五次报告指出,气溶胶与云的相互作用是最主要的不确定性辐射强迫因子之一。在云–气溶胶全球探测领域中,星载云–气溶胶遥感雷达的探测能力与发展方向对研究者们研究全球云–气溶胶分布特点越来越重要。首先对星载云–气溶胶遥感雷达技术的应用现状进行了分析,并针对典型星载云–气溶胶激光雷达（激光雷达空间技术实验LITE、正交偏振云–气溶胶激光雷达CALIPSO、云–气溶胶传输系统CATS、大气激光雷达ATLID）的探测任务、光机系统参数、结构及材料等技术特点进行了详细的分析研究;其次从工作机制、光机系统结构、应用材料和探测能力等方面对各星载云–气溶胶激光雷达系统特点进行了对比,提出星载云–气溶胶激光雷达光机系统结构设计特点与方法;最后分析了当前星载云–气溶胶激光雷达系统技术特点及发展方向,为我国发展星载云–气溶胶激光雷达提供技术方向及发展建议。