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。     

海洋内波的光学遥感探测

海洋内波是当今海洋遥感探测的热点。星载可见光传感器已成为海洋内波研究的重要手段之一。本文回顾了光学遥感海洋内波的研究进展。利用Cox-Munk模型初步探讨了光学遥感利用太阳耀斑探测海洋内波的可见光成像机理。     

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。     

海洋水体光学性质测量技术研究进展

海洋水体光学性质测量是海洋光学理论发展的基础,水体光学性质测量技术的提高,也大大带动了其它海 洋光学技术及其应用的发展。回顾历史,光电技术和光谱技术是水体光学测量技术的主要推动力,海洋光 辐射传输理论的发展及水色遥感是水体光学测量技术的主要牵引力。论文重点对水体光学性质中基础量 的测量原理、方法及主要产品做了系统的介绍,其中包括光谱辐亮度和光谱辐照度的测量方法、水体光谱 吸收的测量方法以及光谱散射性的测量方法等。最后,给出了水体光学性质测量技术未来的发展方向, 为从事水体光学性质仪器开发、相关海洋光技术开发和用户等提供参考。     

“海洋光学技术”专栏前言

海洋光学从光学的角度来考虑海洋,通常被认为是海洋学的一个特殊分支。它通过研究光在海洋中的复杂吸收和散射过程,利用光学工具理解海水特性,以解决海洋学中涉及到的物理学、化学、生物学、地质学等交叉领域的科学问题。海洋光学具有悠久的历史,最早应用可以追溯至已有150年历史的赛克盘(Secchi disk),随着仪器技术的进步和海洋观测需求的推动,海洋光学现已成为海洋学界的一大研究重点和热点,为海洋生物地球化学、物理海洋学、海洋系统模型、海洋渔业等领域做出了卓越贡献。1965年,首届“海洋光学”国际会议在美国召开,会议每两年举办一次,至今已经举办了24届。会议主题涉及所有水生环境的光学科学、研究和应用,吸引了来自世界各地的海洋学家、海洋生态学家、湖泊学家、光学工程师、海洋资源管理者和政策专业人士。     

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。     

2012年高光谱成像技术及其应用研讨会征文通知

近年来,空间（对地）光学遥感技术取得了迅猛的发展,各种各样的光学遥感器应运而生,而且其性能也得到了迅速提高和完善。其中,高光潜成像遥感技术是集新型探测器技术、精密光学机械、微弱信号探测、高速信号处理技术和计算机信息处理技术于一体的综合性技术,在地质、海洋、农业、大气和环境遥感应用中具有重大意义。     

双波长激光雷达探测典型雾霾气溶胶的光学和吸湿性质

气溶胶的光学和吸湿性质信息对研究雾霾形成的机制至关重要。为了在环境相对湿度背景下研究利用激光雷达方法探测雾霾气溶胶光学和吸湿性质,选择合肥地区两次典型雾霾过程作为个例,利用水平探测的双波长激光雷达获取气溶胶消光系数、能见度、Angstrom波长指数以及消光系数吸湿增长因子。个例研究结果表明,在环境相对湿度变化的背景下,激光雷达可以有效地获取雾霾气溶胶光学参数以及吸湿增长因子随相对湿度的变化规律,且具有探测开放大气和不扰动被测大气的技术优势。     

扫描式气溶胶激光雷达研制与观测研究

气溶胶在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理学等领域具有重要研究意义,是大气监测的重要要素。为了更好地研究大气气溶胶光学特性及其时空变化特征,山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制了基于532 nm波长、单脉冲能量60J、可进行三维扫描测量的气溶胶激光雷达。主要介绍了激光雷达的结构设计、技术指标、探测原理、探测模式、观测实验与数据分析。通过激光雷达在青岛小麦岛海洋环境监测站的观测实验数据,分析了不同天气条件下的大气水平能见度,验证了时间-高度显示、距离-高度显示与平面-位置显示测量模式的有效性。通过多种观测模式的数据,利用Fernald方法反演了不同时刻的气溶胶消光系数,并分析了气溶胶与云光学特性的时空变化特征。探测结果表明:扫描式气溶胶激光雷达可以有效测量大气水平能见度,通过扫描系统可以获取不同方向的气溶胶性质分布特征从而扩展了其探测范围。多种探测模式相结合可以获取云、气溶胶和边界层时空变化特征。     

红外气动光学效应研究进展与思考（特邀）

红外成像探测技术是精确制导的重要手段,随着导弹武器向超音速、高超音速方向发展,红外成像探测装置的工作环境更为恶劣。高速飞行条件下恶劣的气动力热环境使红外窗口的结构安全面临极大挑战,激波、窗口等高温辐射源的辐射干扰严重影响红外探测能力,流场和窗口的传输效应降低了探测制导精度。气动光学效应是高速红外探测与传统红外探测的本质的区别,也是决定红外探测应用于高速导弹可行性的关键因素。文中主要介绍了高速红外成像探测的气动力热效应、热辐射效应和传输效应及其影响,阐述了气动光学效应在机理研究、试验研究、数值模拟和抑制校正技术方面的进展,最后给出了高速红外探测气动光学效应研究的思考与建议。     

面向海洋应用的光纤光栅温度传感器研究进展

有效的深海探测技术是获取海洋环境和资源信息的重要方式,也成为当前海洋领域内的研究重点,而海水温度是海洋探测研究关注的重要物理量之一。光纤光栅温度传感器凭借其独特的传感优势已广泛应用于航空航天、石油化工等领域,但对于海洋环境监测领域渗透较少。本文简述光纤光栅基本原理、结构及性能,并与传统测量方法进行比较,重点研究了近几年国内外光纤光栅温度传感器在海洋探测领域的最新研究进展,通过分析指出光纤光栅温度传感器是对现有传统海洋温度探测器的重要补充,在此基础上对于未来海洋光纤光栅温度传感器的研究方向提出了一些建议。     

光学技术在中国月球和深空探测中的应用（特约）

光学技术在中国探月工程与首次火星探测工程应用显著:一半以上的科学载荷属于光学遥感载荷;在自主导航、测控、监视、交会对接等工程实施上也应用广泛。文中简要回顾了中国探月工程已实施的历次任务、正在实施的探月工程三期和首次火星探测工程,以及光学技术应用取得的主要成果,介绍了中国未来对月球、火星、木星和小行星等探测任务的规划,分析了光学技术在未来月球与深空探测中的发展趋势和潜在应用领域。     

简明消息

用三台光雷达组合探测大气科罗拉州波尔德美国大气研究中心大气技术部和国家海洋大气管理局环境技术实验室的科学家在一个联合光学遥感计划中进行为期一月的探测大气边界层的合作项目。对地球表面最低层的精细遥感探测是为了更多了解雷击产生、空气污染气象学和地球表面、自由大气层之间气体与能量交换等的有关知识。在这个号称“平坦地势中的光雷达”（LIFT）的规划中，伊利诺思大学研究人员在现场部署了三台光雷达来观测气溶胶、风和臭氧随边界层早晚变化而产生的高分辨结构。三台光雷达全都装在该大学的便携式拖车中，选择伊利诺思大学…     

基于布里渊散射的海水参数测量反演算法研究

海洋温度和盐度是重要的海洋环境参数，对了解海洋性质、生物多样性具有重要作用。本文基于碘分子吸收池的边缘探测技术，将携带有温度信息的布里渊散射光分为三束，这三束光分别通过三个压强不同的碘分子吸收池，形成三个探测通道，得到两个信号的强度比值信息；之后利用迭代算法即可同时反演出被测区域的温度和盐度信息。采用探测器输出信号强度比值的形式能有效抑制激光器光强抖动带来的影响。为将测温误差控制在0.2 K以内，所提算法对探测器输出强度比值的随机抖动程度为1.3‰。本技术路线具有不受入射角影响、测量速度快、无需事先知晓盐度信息等优势，有望应用于机载、星载等移动平台上。     

海洋光学

为什么要研究海洋光学？海洋光学，或更一般地说水文光学，是光与自然水体如何互相作用的学问。重点过去一直是似乎还将继续是在于海洋的许多经济和军事应用。例如，海洋生产大多数人类消耗的鱼，而其生产最终是由极微小的海藻如何吸收和利用光所控制的。为了确保国家安全，人们一直在寻找如何进入和利用海洋．这类活动经常要求用可见光射入海洋去探测和确认潜在的威胁，或搞清具有战术或战略价值区域的特征。然而，让我们记住，从海洋实验得到的概念可以直接用到湖泊、溪流和江河等其他天然水体。从大洋演变过程角度看，研究海洋中光的最紧…     

"工程光学"教学改革初探与实践

"工程光学"课程讲述了几何光学和波动光学的基本理论,是电子科学与技术专业的必修基础课。"工程光学"具有抽象性强和枯燥乏味等特点,给教学带来了一定的难度;且"工程光学"也是一门专业性很强的课,侧重于对实际光学问题的解释。根据该课程特色,针对电子科学与技术专业学生的特点,探讨了教学内容、教学条件、教学方法和教学手段等方面的教学改革,并总结了取得的成绩和存在的问题。     

我国深空探测光学敏感器技术发展与应用（特约）

光学敏感器是深空探测航天器导航制导与控制系统的关键组成,为航天器平台的稳定运行和有效载荷的科学探测提供指向和位置支持。文章对我国深空探测任务中研制与应用的姿态测量敏感器、自主导航光学敏感器、着陆避障光学敏感器、巡视探测光学敏感器典型产品进行了综述,对其关键技术和发展趋势进行论述。     

自然资源部第二海洋研究所副研究员陈鹏 遨游在科研的星辰大海

<正>很长一段时间,人类对海洋的了解与探索都集中在海洋“表皮”,也就是海洋最上层的水域。对于深不见底的海洋来说,这个范围仅占总量的5%。尽管如此,人们对海洋深处的探索欲望从未停止。正如自然资源部第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室副研究员陈鹏所言：“传统的卫星光学遥感手段仅针对海表进行探测,而对于水体内部结构、物质和能量迁移等信息则是个未知数。”为此,     

可见和红外偏振遥感技术研究进展及相关应用综述

由于大气及地物光谱辐射的偏振敏感性,使得可见和红外偏振遥感逐步发展成为地基、航空和卫星观测的新技术手段,在全球气候变迁研究、对地遥感和天文研究等领域得到应用。根据不同探测目标,从偏振分析机制和偏振信息获取模式等方面介绍了光学偏振遥感系统研究进展,并结合光与物质相互作用的偏振机理,以及国内外相关领域可见和红外波段偏振探测实验研究结果,讨论了光谱偏振遥感信息在反演大气、自然地物、人工目标以及天体等性质中的应用基础研究情况。最后,充分关注偏振光学、光电子技术和计算机技术发展状况,并考虑先进偏振检测、定标等技术在光学偏振遥感系统中的应用进程,展望了光学偏振遥感技术的发展趋势。