視場(chǎng)可調(diào)節(jié)海洋激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制與ICCD激光熒光實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、作為一種主動(dòng)遙感海洋探測(cè)技術(shù)，海洋激光雷達(dá)具有探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍大、時(shí)間分辨率高、測(cè)量效率高等優(yōu)點(diǎn)，可以用于水體光學(xué)性質(zhì)和海洋熒光的測(cè)量，能夠?qū)崿F(xiàn)多種海洋光學(xué)參數(shù)的探測(cè)。
　　海水光學(xué)特性參數(shù)探測(cè)方面，海洋激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)在于能夠通過(guò)雷達(dá)衰減系數(shù)K lidar反演水體的吸收系數(shù)a、衰減系數(shù)c或漫射衰減系數(shù)K d，但由于受到單一視場(chǎng)結(jié)構(gòu)的限制，常規(guī)海洋激光雷達(dá)僅能測(cè)量其中一個(gè)參數(shù)。因此，發(fā)展多視場(chǎng)或可調(diào)節(jié)視場(chǎng)海洋激光雷達(dá)成為必然趨勢(shì)。另外，

2、如何利用多個(gè)接收視場(chǎng)情況的探測(cè)回波反演多個(gè)海水光學(xué)參數(shù)，也是海洋激光雷達(dá)探測(cè)應(yīng)用的前沿問(wèn)題。
　　海洋熒光探測(cè)方面，利用激光誘導(dǎo)熒光分析海表或海水中物質(zhì)成分，也是海洋激光雷達(dá)探測(cè)應(yīng)用的熱點(diǎn)問(wèn)題。時(shí)間分辨熒光光譜的探測(cè)應(yīng)用，以及分析飽和激發(fā)情況下物質(zhì)熒光非線性變化對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響，對(duì)海洋熒光雷達(dá)的應(yīng)用發(fā)展具有重要意義。
　　本文針對(duì)海洋激光雷達(dá)的上述問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，成功研制了一套可調(diào)節(jié)視場(chǎng)的船載海洋激光雷達(dá)系統(tǒng)原理樣機(jī)

3、，并基于ICCD對(duì)激光雷達(dá)探測(cè)海洋熒光進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究。根據(jù)探測(cè)機(jī)制不同，本文的研究工作分為兩部分。
　　第一部分，可調(diào)節(jié)視場(chǎng)海洋激光雷達(dá)系統(tǒng)研制與實(shí)驗(yàn)研究。具體內(nèi)容包括：（1）總結(jié)目前涉及視場(chǎng)參量的海洋激光雷達(dá)探測(cè)水體光學(xué)參數(shù)理論，模擬不同接收視場(chǎng)情況下海洋激光雷達(dá)探測(cè)水體光學(xué)參數(shù)的激光回波，分析激光雷達(dá)衰減系數(shù)K lidar與水體光學(xué)參數(shù)a、c和Kd的反演關(guān)系變化；分析對(duì)比Walker-McLean模型和Kopilevich模

4、型，提出船載海洋激光雷達(dá)應(yīng)用情況下多個(gè)水體光學(xué)參數(shù)的提取方法；（2）依據(jù)激光雷達(dá)探測(cè)理論計(jì)算和噪聲分析確定船載可調(diào)節(jié)視場(chǎng)的設(shè)計(jì)范圍，研制出一套可調(diào)節(jié)視場(chǎng)海洋激光雷達(dá)原理樣機(jī)，并利用該系統(tǒng)對(duì)水體光學(xué)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，分析K lidar與接收視場(chǎng)的變化關(guān)系，獲得與理論一致的趨勢(shì)。水池實(shí)驗(yàn)中，激光雷達(dá)所測(cè)參數(shù)a和c值與AC-S測(cè)量的值比對(duì)一致，誤差小于5％。外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中對(duì)青島中苑碼頭渾濁水體進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)分析了相同視場(chǎng)情況不同探測(cè)高度或不同水

5、質(zhì)對(duì)K lidar反演的影響，結(jié)果表明：相同視場(chǎng)情況下，隨探測(cè)高度增加，K lidar值逐漸趨向于參數(shù)a；相同視場(chǎng)和探測(cè)高度情況下，對(duì)比渾濁水體和水池較清潔水體的探測(cè)，K lidar隨著接收視場(chǎng)的變化趨勢(shì)一致。
　　第二部分，基于ICCD的海洋熒光激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)研究。具體研究?jī)?nèi)容包括：（1）利用 ICCD的時(shí)間分辨測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)分析海水中可溶性有機(jī)物和葉綠素?zé)晒鈮勖c海水Raman存在的響應(yīng)差異；針對(duì)溢油探測(cè)，利用不同時(shí)刻油樣本熒光

6、光譜在主成分特征矢量空間中樣本位置點(diǎn)間相關(guān)距離的變化，實(shí)現(xiàn)油熒光的時(shí)序變化差異分析，優(yōu)化了不同油樣本間的區(qū)分能力。（2）海洋熒光探測(cè)應(yīng)用中，實(shí)驗(yàn)分析了激光能量密度過(guò)大（即飽和激發(fā)情況）引起的熒光非線性變化對(duì)油熒光測(cè)量的影響，嘗試?yán)蔑柡图ぐl(fā)情況下油熒光的非線性變化，對(duì)普通熒光光譜法和ICCD時(shí)間分辨熒光光譜均無(wú)法區(qū)分的油樣本進(jìn)行分析，建立基于激光能量變化的三維油熒光光譜作為一種熒光指紋，用于優(yōu)化油樣本間的區(qū)分。
　　本文創(chuàng)新點(diǎn)主要

7、包括：（1）研制可調(diào)節(jié)視場(chǎng)的船載海洋激光雷達(dá)原理樣機(jī)，在理論計(jì)算和噪聲分析基礎(chǔ)上確定該原理樣機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)；（2）利用可調(diào)節(jié)視場(chǎng)海洋激光雷達(dá)原理樣機(jī)，開(kāi)展水池和近岸水體實(shí)驗(yàn)研究，初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠用于海水光學(xué)參數(shù)的測(cè)量。結(jié)合Walker-McLean和Kopilevich激光雷達(dá)理論，提出船載探測(cè)情況下水體光學(xué)參數(shù)的提取方法；（3）針對(duì)海洋熒光探測(cè)應(yīng)用，基于ICCD開(kāi)展了激光熒光探測(cè)研究，利用不同時(shí)刻油熒光光譜特征和基于激光能