海洋激光雷达探测技术

第1章　绪论　1　

1.1　概述　1　

1.1.1　海洋激光雷达探测原理　2　

1.1.2　海洋激光雷达探测发展历程　4　

1.2　激光在大气中的传输特性　7　

1.2.1　大气吸收　7　

1.2.2　大气散射　8　

1.2.3　大气湍流　8　

1.3　激光在气-水界面的传输特性　8　

1.3.1　激光在静止海面的传输　8　

1.3.2　激光在粗糙海面的传输　9　

1.4　激光在海水中的传输特性　9　

1.4.1　海水的光学参数　10　

1.4.2　激光在海水中的衰减特性　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　海洋激光雷达的应用领域　15　

1.5.1　水体次表层　15　

1.5.2　海水光学性质　15　

1.5.3　浅海测深　16　

1.5.4　海面高度　17　

1.5.5　海面风速　18　

1.5.6　大洋渔业　19　

1.5.7　海洋动力过程　19　

1.5.8　海洋环境探测　19　

第2章　船载海洋激光雷达系统　22　

2.1　多探测体制激光雷达　22　

2.1.1　弹性散射海洋激光雷达　22　

2.1.2　布里渊散射海洋激光雷达　30　

2.2　线性探测海洋激光雷达　33　

2.2.1　总体方案设计　33　

2.2.2　发射系统　35　

2.2.3　接收系统　36　

2.2.4　信号采集和处理　37　

2.3　光子计数海洋激光雷达　38　

2.3.1　总体方案设计　38　

2.3.2　发射光学系统　39　

2.3.3　接收光学系统　41　

2.3.4　数据采集系统　42　

2.4　变视场水下海洋激光雷达　43　

2.4.1　总体方案设计　43　

2.4.2　激光器　44　

2.4.3　发射接收光学系统　44　

2.4.4　总控模块　45　

2.5　高光谱分辨率海洋激光雷达　46　

2.5.1　基本原理与结构　46　

2.5.2　激光器　47　

2.5.3　光谱鉴频器　50　

2.6　船载综合试验　51　

2.6.1　海上固定平台试验　51　

2.6.2　千岛湖船载试验　52　

2.6.3　海上船测试验　56　

第3章　机载海洋激光雷达系统　65　

3.1　总体方案与技术指标　65　

3.2　激光器模块和扫描模块　67　

3.2.1　激光器模块　67　

3.2.2　扫描模块　69　

3.3　收发光路和探测模块　70　

3.3.1　收发光路　70　

3.3.2　探测模块　71　

3.4　高速采集和控制模块　73　

3.4.1　硬件总体框架　73　

3.4.2　高速ADC采集　73　

3.4.3　千兆网络接口　74　

3.4.4　SATA　接口　75　

3.5　机载激光-船载实测同步验证试验　76　

3.5.1　南海机载激光雷达飞行试验　76　

3.5.2　南海机载激光雷达与高光谱飞行试验　78　

3.5.3　南海机载/船载海洋激光雷达试验　79　

3.5.4　南海机载激光雷达试验及船载同步验证　81　

3.5.5　南海无人机载激光雷达飞行试验　82　

第4章　海洋激光诱导荧光雷达遥感技术　84　

4.1　激光诱导荧光海洋探测技术　84　

4.1.1　激光诱导荧光探测原理　85　

4.1.2　激光诱导荧光探测系统设计　87　

4.1.3　共线聚焦式激光诱导荧光探测系统　94　

4.1.4　正交式激光诱导荧光探测系统　96　

4.2　激光诱导荧光测量海洋水色参数方法　98　

4.2.1　概述　98　

4.2.2　反演模型　100　

4.2.3　近海实测数据采集　105　

4.2.4　实测数据及测量方法　105　

4.2.5　实验结果和分析　107　

4.3　激光诱导荧光区分赤潮藻种类技术　114　

4.3.1　概述　114　

4.3.2　海洋藻类水体荧光特性分析　114　

4.3.3　8　种赤潮藻区分识别实验　122　

第5章　海洋激光雷达光学剖面及次表层探测方法　128　

5.1　数据预处理　128　

5.1.1　背景噪声去除　128　

5.1.2　回波信号去卷积　130　

5.1.3　距离校正　131　

5.1.4　几何因子校正　132　

5.1.5　激光雷达常数确定　132　

5.2　光学剖面反演方法　133　

5.2.1　传统反演方法　133　

5.2.2　基于生物光学模型的迭代反演方法　142　

5.2.3　混合反演方法及试验结果　146　

5.3　次表层浮游植物探测方法　151　

5.3.1　海洋次表层叶绿素值层分析　152　

5.3.2　次表层浮游植物散射层探测方法　153　

5.3.3　南海三亚湾次表层探测试验　155　

5.3.4　千岛湖次表层探测试验　158　

第6章　海洋激光雷达浅海水深探测方法　162　

6.1　回波信号分类方法　162　

6.1.1　基于支持向量机的海陆波形分类模型构建　162　

6.1.2　海陆波形分类结果与分析　165　

6.1.3　基于频谱域的海洋激光雷达水体波形分类　170　

6.2　气-水界面探测方法　172　

6.2.1　气-水界面的激光雷达能量分布　172　

6.2.2　水面回波信号位置提取　185　

6.2.3　气-水界面探测试验　187　

6.3　水深信号峰值位置提取方法　192　

6.3.1　基于高斯-指数卷积拟合的陆地峰值位置提取　192　

6.3.2　基于半高斯拟合的海表回波峰值位置提取　196　

6.3.3　基于去卷积的近岸波形峰值位置提取　199　

6.3.4　基于分布拟合的浅水波形峰值位置提取　199　

6.3.5　基于多项式拟合的深水波形峰值位置提取　201　

6.4　南海测区机载激光雷达测深试验　205　

6.4.1　机载激光雷达三维点云计算　205　

6.4.2　机载激光雷达测深结果　210　

第7章　海洋激光雷达信号数值仿真技术　217　

7.1　海洋激光雷达信号仿真模型　217　

7.1.1　水面回波信号　217　

7.1.2　水体回波信号　218　

7.1.3　水底回波信号　218　

7.1.4　噪声信号　219　

7.1.5　仿真结果　219　

7.2　半解析蒙特卡罗仿真模型　222　

7.2.1　理论与模型　223　

7.2.2　水质参数的影响　225　

7.2.3　视场角损失的影响　230　

7.2.4　散射相函数的影响　231　

7.2.5　水体层化的影响　235　

7.2.6　多次散射的影响　237　

7.2.7　偏振激光的仿真模拟　238　

7.3　基于准单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　倾斜入射情况下的解析法　245　

第8章　星载海洋激光雷达系统设计　247　

8.1　天基海洋激光雷达国内外研究进展　247　

8.1.1　云-气溶胶偏振激光雷达　247　

8.1.2　先进地形激光测高系统　248　

8.1.3　高分七号激光测高仪　250　

8.1.4　国内外天基海洋探测计划　252　

8.2　天基海洋激光雷达系统设计　253　

8.2.1　总体方案设计　253　

8.2.2　分模块方案设计　255　

8.2.3　星上定标方案　263　

8.2.4　卫星平台接口设计　264　

8.3　星载海洋激光雷达系统指标论证　268　

8.3.1　星载海洋激光雷达应用需求指标　269　

8.3.2　星载海洋激光雷达关键指标论证分析　271　

8.3.3　星载海洋激光雷达探测深度分析　281　

8.3.4　真光层探测能力分析　284　

8.3.5　太阳夫琅禾费线对激光雷达回波信号信噪比的提升　287

8.4　关键技术与可行性分析　290　

8.4.1　窄脉冲激光脉冲产生及光频转换技术　290　

8.4.2　大动态回波信号高灵敏度探测技术　291　

8.4.3　干涉式高光谱分辨率分光技术　291　

8.4.4　激光雷达在轨收发配准技术　291　

8.4.5　激光波束高精度指向定位技术　291　

8.4.6　天基大口径望远镜技术　292　

8.4.7　三波长窄线宽激光器光束质量控制技术　293　

8.4.8　气海一体高光谱分辨率滤波器技术　296　

8.4.9　模拟与光子计数复合探测技术　297　

参考文献　300