本發(fā)明涉及激光應(yīng)用科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種利用激光雷達(dá)系統(tǒng)測量海洋固有光學(xué)參數(shù)的方法。

背景技術(shù)：

海洋次表層的海洋光學(xué)參數(shù)可以改進(jìn)海色反演模型，對全球變化和碳循環(huán)的研究具有重要的意義，海洋光學(xué)參數(shù)的測量可以提供更準(zhǔn)確的水體后向散射系數(shù)，可以改善海色遙感的反演模型，提高反演精度。目前，海洋光學(xué)參數(shù)的測量一般采用高光譜吸收衰減測量儀或高光譜后向散射儀等儀器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場測量，測量方式繁瑣，又無法實(shí)現(xiàn)大范圍測量，或采用衛(wèi)星海洋遙感由離水輻亮度經(jīng)過大量的統(tǒng)計回歸推算海洋光學(xué)參數(shù)，誤差較大。

激光雷達(dá)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了激光測量大氣氣溶膠分布、風(fēng)廓線、溫度廓線等，同樣也實(shí)現(xiàn)了海底深度信息、海水透過率等信息的測量，尤其是機(jī)載系統(tǒng)的應(yīng)用，使實(shí)現(xiàn)大氣、海洋的聯(lián)合觀測成為可能，如美國的CALIPSO星載激光雷達(dá)，利用532nm激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了全球大氣氣溶膠信息的測量，同時，利用其探測信號也可以提取海表面散射信息及海洋次表層信息；國際上的機(jī)載、星載激光雷達(dá)也在緊張研發(fā)過程中，作為大氣激光雷達(dá)應(yīng)用的延伸，迫切需要開展激光海洋測量方面的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有高光譜分辨特性的利用激光雷達(dá)系統(tǒng)測量海洋固有光學(xué)參數(shù)的方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種利用激光雷達(dá)系統(tǒng)測量海洋固有光學(xué)參數(shù)的方法，包括以下步驟：

1)激光雷達(dá)系統(tǒng)中的激光發(fā)射系統(tǒng)采用532nm波長輸出，利用接收系統(tǒng)進(jìn)行信號接收，接收到的大氣和海洋散射信號在接收系統(tǒng)中按1：1分為兩路，一路作為參考通道，另一路經(jīng)過碘分子吸收濾波器作為測量通道，兩路光信號經(jīng)過光電探測器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)信號采集系統(tǒng)輸入給處理系統(tǒng)進(jìn)行處理運(yùn)算；

2)運(yùn)算的具體過程為：接收系統(tǒng)中兩個通道探測到的海水體在不同深度r的回波能量分別為P₁(r)和P₂(r)，P₁(r)和P₂(r)求比值運(yùn)算得R(r)，R(r)為系統(tǒng)比例常數(shù)k、純海水散射信號光譜透過碘分子吸收濾波器后的光譜響應(yīng)函數(shù)f_w、水中懸浮物后向散射信號光譜透過碘分子吸收濾波器后的光譜響應(yīng)函數(shù)f_p、純海水的后向散射系數(shù)b_bw和懸浮物的后向散射系數(shù)b_bp(r)的函數(shù)，如公式(1)所示；

激光發(fā)射頻率位于碘分子吸收濾波器透過率曲線谷底時，即1109線，光譜響應(yīng)函數(shù)f_p＝0，得公式(2)

設(shè)定系統(tǒng)比例k為1，光譜響應(yīng)函數(shù)f_w通過純海水的Rayleigh散射光譜與碘分子吸收濾波器透過率函數(shù)卷積求解得到，純海水的后向散射系數(shù)b_bw為常數(shù)，通過理論計算得到，利用公式(2)計算海水中懸浮物的后向散射系數(shù)b_bp(r)為：

b_bp(r)＝b_bw(R(r)'f_w-1) (3)

b_bp(r)為海水深度r的函數(shù)；從而獲得海水體的后向散射系數(shù)[b_bw+b_bp(r)]，代入?yún)⒖纪ǖ赖募す饫走_(dá)方程，進(jìn)行兩邊取對數(shù)和求導(dǎo)運(yùn)算，進(jìn)而求解海水體的消光系數(shù)c(r)。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：激光發(fā)射系統(tǒng)采用單頻的532nm激光器，并將頻率調(diào)節(jié)至碘分子吸收濾波器透過率曲線的谷底，接收系統(tǒng)采用望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)光信號采集，采用碘分子吸收濾波器實(shí)現(xiàn)懸浮物散射和水分子散射信號光譜的分離測量。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：激光雷達(dá)系統(tǒng)包括激光發(fā)射系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、光電探測器與碘分子吸收濾波器，激光發(fā)射系統(tǒng)連接接收系統(tǒng)，接收系統(tǒng)通過碘分子吸收濾波器、光電探測器連接信號采集系統(tǒng)，信號采集系統(tǒng)連接處理系統(tǒng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明利用碘分子吸收濾波器，從激光海水體的后向散射信號光譜上實(shí)現(xiàn)了窄線寬的懸浮物散射和寬帶的水分子散射的分離測量，具有高光譜分辨特性。

(2)利用激光雷達(dá)系統(tǒng)探測信號可以直接反演海水中懸浮物的后向散射系數(shù)和海水體的消光系數(shù)，以及垂直分布信息。

(3)本發(fā)明拓展了激光雷達(dá)系統(tǒng)的對海洋信息的探測范圍。

附圖說明

圖1是激光雷達(dá)系統(tǒng)組成框圖；

圖2是利用碘分子吸收濾波器實(shí)現(xiàn)海水散射分離測量原理圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例1

本發(fā)明實(shí)施例中，本發(fā)明主要從激光雷達(dá)系統(tǒng)組成、測量原理、固有海洋光學(xué)參數(shù)反演等方面進(jìn)行表述。

1)激光雷達(dá)系統(tǒng)組成

激光雷達(dá)搭載空間移動平臺，激光向下觀測，激光發(fā)射系統(tǒng)采用532nm波長輸出，種子注入實(shí)現(xiàn)窄線寬，溫度調(diào)諧實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)，利用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行信號接收，接收到的大氣和海洋散射信號在接收系統(tǒng)中按1：1分為兩路，一路作為參考通道，另一路經(jīng)過碘分子吸收濾波器作為測量通道，兩路光信號經(jīng)過光電探測器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)信號采集系統(tǒng)輸入給處理系統(tǒng)。如圖1所示。

2)測量原理

海水體的散射信號是兩種不同線型寬度光譜信號的疊加，包括窄帶的懸浮物粒子的散射和展寬的水分子散射信號。碘分子的第1109特征吸收曲線具有較好的高光譜分辨特性，將出射激光頻率調(diào)節(jié)至1109線的谷底中心，當(dāng)海水散射信號經(jīng)過碘分子吸收濾波器后，對不同線寬的懸浮物散射和水分子散射具有不同的吸收特性，故可以用來分離測量海水中的懸浮物的散射信號和水分子散射信號，實(shí)現(xiàn)海水體光學(xué)參數(shù)、懸浮物散射的測量。測量原理如圖2所示。

3)海洋光學(xué)參數(shù)反演方法

采用機(jī)載激光雷達(dá)的探測模式，接收系統(tǒng)中兩個通道探測到的海水體在不同深度r的回波能量分別為P₁(r)和P₂(r)，P₁(r)和P₂(r)求比值運(yùn)算得R(r)，R(r)為系統(tǒng)比例常數(shù)k、純海水散射信號光譜透過碘分子吸收濾波器后的光譜響應(yīng)函數(shù)f_w、水中懸浮物后向散射信號光譜透過碘分子吸收濾波器后的光譜響應(yīng)函數(shù)f_p、純海水的后向散射系數(shù)b_bw和懸浮物的后向散射系數(shù)b_bp(r)的函數(shù)，如公式(1)，R(r)大小主要依賴于碘分子吸收濾波器對散射信號的吸收特性。

激光發(fā)射頻率位于碘分子吸收濾波器透過率曲線(1109線)谷底時，碘分子吸收濾波器對懸浮物散射信號具有很強(qiáng)的吸收，認(rèn)為為完全吸收，f_p＝0，可得公式(2)

設(shè)定系統(tǒng)比例k為1，f_w可以通過純海水的Rayleigh散射光譜與碘分子吸收濾波器透過率函數(shù)卷積求解得到，532nm純海水的后向散射系數(shù)b_bw可以通過理論計算得到，為常數(shù)，將f_w和b_bw代入公式(2)可以計算海水中懸浮物的后向散射系數(shù)b_bp(r)

b_bp(r)＝b_bw(R(r)'f_w-1) (3)

b_bp(r)為海水深度的函數(shù)。獲得了海水體的后向散射系數(shù)(含純海水散射和懸浮物散射)，代入?yún)⒖纪ǖ赖募す饫走_(dá)方程，進(jìn)行兩邊取對數(shù)和求導(dǎo)運(yùn)算，進(jìn)而求解海水體的消光系數(shù)c(r)。

具體實(shí)施例如下所述。

采用種子注入532nm激光波長，將激光出射頻率調(diào)節(jié)至碘分子吸收曲線的谷底中央，接收系統(tǒng)中采用雙通道設(shè)計實(shí)現(xiàn)海水體后向散射信號的測量，一是探測來自于懸浮物散射和水分子散射的總能量P₁(r)，另一個是經(jīng)過碘分子吸收濾波器后的散射信號能量P₂(r)，海水的后向散射信號經(jīng)過碘分子吸收濾波器后，由于碘分子濾波器對窄線寬信號具有很高的吸收比，海水中的懸浮物后向散射信號全被濾除，剩下的全部來自于水分子的散射信號，通過兩通道的強(qiáng)度比值可以獲得海水后向散射比R(r)，代入理論計算的純海水后向散射系數(shù)b_bw和純海水散射信號透過碘分子吸收濾波器后的光譜響應(yīng)函數(shù)f_w，可以推算海水中懸浮物的后向散射系數(shù)b_bp(r)，將海水的總后向散射系數(shù)[b_bw+b_bp(r)]代入激光雷達(dá)方程，利用總能量探測通道的信號P₁(r)即可解算出海水在不同深度的吸收系數(shù)c(r)。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個實(shí)施方式僅包含一個獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。