海洋激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)

第1章　緒論　1　

1.1　概述　1　

1.1.1　海洋激光雷達(dá)探測(cè)原理　2　

1.1.2　海洋激光雷達(dá)探測(cè)發(fā)展歷程　4　

1.2　激光在大氣中的傳輸特性　7　

1.2.1　大氣吸收　7　

1.2.2　大氣散射　8　

1.2.3　大氣湍流　8　

1.3　激光在氣-水界面的傳輸特性　8　

1.3.1　激光在靜止海面的傳輸　8　

1.3.2　激光在粗糙海面的傳輸　9　

1.4　激光在海水中的傳輸特性　9　

1.4.1　海水的光學(xué)參數(shù)　10　

1.4.2　激光在海水中的衰減特性　11　

1.4.3　激光在海水中的吸收特性　11　

1.4.4　激光在海水中的散射特性　12　

1.5　海洋激光雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域　15　

1.5.1　水體次表層　15　

1.5.2　海水光學(xué)性質(zhì)　15　

1.5.3　淺海測(cè)深　16　

1.5.4　海面高度　17　

1.5.5　海面風(fēng)速　18　

1.5.6　大洋漁業(yè)　19　

1.5.7　海洋動(dòng)力過(guò)程　19　

1.5.8　海洋環(huán)境探測(cè)　19　

第2章　船載海洋激光雷達(dá)系統(tǒng)　22　

2.1　多探測(cè)體制激光雷達(dá)　22　

2.1.1　彈性散射海洋激光雷達(dá)　22　

2.1.2　布里淵散射海洋激光雷達(dá)　30　

2.2　線性探測(cè)海洋激光雷達(dá)　33　

2.2.1　總體方案設(shè)計(jì)　33　

2.2.2　發(fā)射系統(tǒng)　35　

2.2.3　接收系統(tǒng)　36　

2.2.4　信號(hào)采集和處理　37　

2.3　光子計(jì)數(shù)海洋激光雷達(dá)　38　

2.3.1　總體方案設(shè)計(jì)　38　

2.3.2　發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)　39　

2.3.3　接收光學(xué)系統(tǒng)　41　

2.3.4　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)　42　

2.4　變視場(chǎng)水下海洋激光雷達(dá)　43　

2.4.1　總體方案設(shè)計(jì)　43　

2.4.2　激光器　44　

2.4.3　發(fā)射接收光學(xué)系統(tǒng)　44　

2.4.4　總控模塊　45　

2.5　高光譜分辨率海洋激光雷達(dá)　46　

2.5.1　基本原理與結(jié)構(gòu)　46　

2.5.2　激光器　47　

2.5.3　光譜鑒頻器　50　

2.6　船載綜合試驗(yàn)　51　

2.6.1　海上固定平臺(tái)試驗(yàn)　51　

2.6.2　千島湖船載試驗(yàn)　52　

2.6.3　海上船測(cè)試驗(yàn)　56　

第3章　機(jī)載海洋激光雷達(dá)系統(tǒng)　65　

3.1　總體方案與技術(shù)指標(biāo)　65　

3.2　激光器模塊和掃描模塊　67　

3.2.1　激光器模塊　67　

3.2.2　掃描模塊　69　

3.3　收發(fā)光路和探測(cè)模塊　70　

3.3.1　收發(fā)光路　70　

3.3.2　探測(cè)模塊　71　

3.4　高速采集和控制模塊　73　

3.4.1　硬件總體框架　73　

3.4.2　高速ADC采集　73　

3.4.3　千兆網(wǎng)絡(luò)接口　74　

3.4.4　SATA　接口　75　

3.5　機(jī)載激光-船載實(shí)測(cè)同步驗(yàn)證試驗(yàn)　76　

3.5.1　南海機(jī)載激光雷達(dá)飛行試驗(yàn)　76　

3.5.2　南海機(jī)載激光雷達(dá)與高光譜飛行試驗(yàn)　78　

3.5.3　南海機(jī)載/船載海洋激光雷達(dá)試驗(yàn)　79　

3.5.4　南海機(jī)載激光雷達(dá)試驗(yàn)及船載同步驗(yàn)證　81　

3.5.5　南海無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)飛行試驗(yàn)　82　

第4章　海洋激光誘導(dǎo)熒光雷達(dá)遙感技術(shù)　84　

4.1　激光誘導(dǎo)熒光海洋探測(cè)技術(shù)　84　

4.1.1　激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)原理　85　

4.1.2　激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)　87　

4.1.3　共線聚焦式激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)系統(tǒng)　94　

4.1.4　正交式激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)系統(tǒng)　96　

4.2　激光誘導(dǎo)熒光測(cè)量海洋水色參數(shù)方法　98　

4.2.1　概述　98　

4.2.2　反演模型　100　

4.2.3　近海實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集　105　

4.2.4　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及測(cè)量方法　105　

4.2.5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析　107　

4.3　激光誘導(dǎo)熒光區(qū)分赤潮藻種類技術(shù)　114　

4.3.1　概述　114　

4.3.2　海洋藻類水體熒光特性分析　114　

4.3.3　8　種赤潮藻區(qū)分識(shí)別實(shí)驗(yàn)　122　

第5章　海洋激光雷達(dá)光學(xué)剖面及次表層探測(cè)方法　128　

5.1　數(shù)據(jù)預(yù)處理　128　

5.1.1　背景噪聲去除　128　

5.1.2　回波信號(hào)去卷積　130　

5.1.3　距離校正　131　

5.1.4　幾何因子校正　132　

5.1.5　激光雷達(dá)常數(shù)確定　132　

5.2　光學(xué)剖面反演方法　133　

5.2.1　傳統(tǒng)反演方法　133　

5.2.2　基于生物光學(xué)模型的迭代反演方法　142　

5.2.3　混合反演方法及試驗(yàn)結(jié)果　146　

5.3　次表層浮游植物探測(cè)方法　151　

5.3.1　海洋次表層葉綠素值層分析　152　

5.3.2　次表層浮游植物散射層探測(cè)方法　153　

5.3.3　南海三亞灣次表層探測(cè)試驗(yàn)　155　

5.3.4　千島湖次表層探測(cè)試驗(yàn)　158　

第6章　海洋激光雷達(dá)淺海水深探測(cè)方法　162　

6.1　回波信號(hào)分類方法　162　

6.1.1　基于支持向量機(jī)的海陸波形分類模型構(gòu)建　162　

6.1.2　海陸波形分類結(jié)果與分析　165　

6.1.3　基于頻譜域的海洋激光雷達(dá)水體波形分類　170　

6.2　氣-水界面探測(cè)方法　172　

6.2.1　氣-水界面的激光雷達(dá)能量分布　172　

6.2.2　水面回波信號(hào)位置提取　185　

6.2.3　氣-水界面探測(cè)試驗(yàn)　187　

6.3　水深信號(hào)峰值位置提取方法　192　

6.3.1　基于高斯-指數(shù)卷積擬合的陸地峰值位置提取　192　

6.3.2　基于半高斯擬合的海表回波峰值位置提取　196　

6.3.3　基于去卷積的近岸波形峰值位置提取　199　

6.3.4　基于分布擬合的淺水波形峰值位置提取　199　

6.3.5　基于多項(xiàng)式擬合的深水波形峰值位置提取　201　

6.4　南海測(cè)區(qū)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深試驗(yàn)　205　

6.4.1　機(jī)載激光雷達(dá)三維點(diǎn)云計(jì)算　205　

6.4.2　機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深結(jié)果　210　

第7章　海洋激光雷達(dá)信號(hào)數(shù)值仿真技術(shù)　217　

7.1　海洋激光雷達(dá)信號(hào)仿真模型　217　

7.1.1　水面回波信號(hào)　217　

7.1.2　水體回波信號(hào)　218　

7.1.3　水底回波信號(hào)　218　

7.1.4　噪聲信號(hào)　219　

7.1.5　仿真結(jié)果　219　

7.2　半解析蒙特卡羅仿真模型　222　

7.2.1　理論與模型　223　

7.2.2　水質(zhì)參數(shù)的影響　225　

7.2.3　視場(chǎng)角損失的影響　230　

7.2.4　散射相函數(shù)的影響　231　

7.2.5　水體層化的影響　235　

7.2.6　多次散射的影響　237　

7.2.7　偏振激光的仿真模擬　238　

7.3　基于準(zhǔn)單次散射小角度近似的多次散射解析模型　243　

7.3.1　解析法原理　244　

7.3.2　傾斜入射情況下的解析法　245　

第8章　星載海洋激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)　247　

8.1　天基海洋激光雷達(dá)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展　247　

8.1.1　云-氣溶膠偏振激光雷達(dá)　247　

8.1.2　先進(jìn)地形激光測(cè)高系統(tǒng)　248　

8.1.3　高分七號(hào)激光測(cè)高儀　250　

8.1.4　國(guó)內(nèi)外天基海洋探測(cè)計(jì)劃　252　

8.2　天基海洋激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)　253　

8.2.1　總體方案設(shè)計(jì)　253　

8.2.2　分模塊方案設(shè)計(jì)　255　

8.2.3　星上定標(biāo)方案　263　

8.2.4　衛(wèi)星平臺(tái)接口設(shè)計(jì)　264　

8.3　星載海洋激光雷達(dá)系統(tǒng)指標(biāo)論證　268　

8.3.1　星載海洋激光雷達(dá)應(yīng)用需求指標(biāo)　269　

8.3.2　星載海洋激光雷達(dá)關(guān)鍵指標(biāo)論證分析　271　

8.3.3　星載海洋激光雷達(dá)探測(cè)深度分析　281　

8.3.4　真光層探測(cè)能力分析　284　

8.3.5　太陽(yáng)夫瑯禾費(fèi)線對(duì)激光雷達(dá)回波信號(hào)信噪比的提升　287

8.4　關(guān)鍵技術(shù)與可行性分析　290　

8.4.1　窄脈沖激光脈沖產(chǎn)生及光頻轉(zhuǎn)換技術(shù)　290　

8.4.2　大動(dòng)態(tài)回波信號(hào)高靈敏度探測(cè)技術(shù)　291　

8.4.3　干涉式高光譜分辨率分光技術(shù)　291　

8.4.4　激光雷達(dá)在軌收發(fā)配準(zhǔn)技術(shù)　291　

8.4.5　激光波束高精度指向定位技術(shù)　291　

8.4.6　天基大口徑望遠(yuǎn)鏡技術(shù)　292　

8.4.7　三波長(zhǎng)窄線寬激光器光束質(zhì)量控制技術(shù)　293　

8.4.8　氣海一體高光譜分辨率濾波器技術(shù)　296　

8.4.9　模擬與光子計(jì)數(shù)復(fù)合探測(cè)技術(shù)　297　

參考文獻(xiàn)　300