視場可調(diào)節(jié)海洋激光雷達(dá)實驗系統(tǒng)研制與ICCD激光熒光實驗研究.pdf

1、作為一種主動遙感海洋探測技術(shù)，海洋激光雷達(dá)具有探測動態(tài)范圍大、時間分辨率高、測量效率高等優(yōu)點，可以用于水體光學(xué)性質(zhì)和海洋熒光的測量，能夠?qū)崿F(xiàn)多種海洋光學(xué)參數(shù)的探測。
　　海水光學(xué)特性參數(shù)探測方面，海洋激光雷達(dá)的優(yōu)勢在于能夠通過雷達(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結(jié)構(gòu)的限制，常規(guī)海洋激光雷達(dá)僅能測量其中一個參數(shù)。因此，發(fā)展多視場或可調(diào)節(jié)視場海洋激光雷達(dá)成為必然趨勢。另外，

2、如何利用多個接收視場情況的探測回波反演多個海水光學(xué)參數(shù)，也是海洋激光雷達(dá)探測應(yīng)用的前沿問題。
　　海洋熒光探測方面，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)探測應(yīng)用的熱點問題。時間分辨熒光光譜的探測應(yīng)用，以及分析飽和激發(fā)情況下物質(zhì)熒光非線性變化對探測結(jié)果的影響，對海洋熒光雷達(dá)的應(yīng)用發(fā)展具有重要意義。
　　本文針對海洋激光雷達(dá)的上述問題進(jìn)行了相關(guān)實驗研究，成功研制了一套可調(diào)節(jié)視場的船載海洋激光雷達(dá)系統(tǒng)原理樣機(jī)

3、，并基于ICCD對激光雷達(dá)探測海洋熒光進(jìn)行了實驗室研究。根據(jù)探測機(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)視場海洋激光雷達(dá)系統(tǒng)研制與實驗研究。具體內(nèi)容包括：（1）總結(jié)目前涉及視場參量的海洋激光雷達(dá)探測水體光學(xué)參數(shù)理論，模擬不同接收視場情況下海洋激光雷達(dá)探測水體光學(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)用情況下多個水體光學(xué)參數(shù)的提取方法；（2）依據(jù)激光雷達(dá)探測理論計算和噪聲分析確定船載可調(diào)節(jié)視場的設(shè)計范圍，研制出一套可調(diào)節(jié)視場海洋激光雷達(dá)原理樣機(jī)，并利用該系統(tǒng)對水體光學(xué)參數(shù)進(jìn)行實驗測量，分析K lidar與接收視場的變化關(guān)系，獲得與理論一致的趨勢。水池實驗中，激光雷達(dá)所測參數(shù)a和c值與AC-S測量的值比對一致，誤差小于5％。外場實驗中對青島中苑碼頭渾濁水體進(jìn)行了測量，實驗分析了相同視場情況不同探測高度或不同水

5、質(zhì)對K lidar反演的影響，結(jié)果表明：相同視場情況下，隨探測高度增加，K lidar值逐漸趨向于參數(shù)a；相同視場和探測高度情況下，對比渾濁水體和水池較清潔水體的探測，K lidar隨著接收視場的變化趨勢一致。
　　第二部分，基于ICCD的海洋熒光激光雷達(dá)實驗研究。具體研究內(nèi)容包括：（1）利用 ICCD的時間分辨測量優(yōu)勢，實驗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；針對溢油探測，利用不同時刻油樣本熒光

6、光譜在主成分特征矢量空間中樣本位置點間相關(guān)距離的變化，實現(xiàn)油熒光的時序變化差異分析，優(yōu)化了不同油樣本間的區(qū)分能力。（2）海洋熒光探測應(yīng)用中，實驗分析了激光能量密度過大（即飽和激發(fā)情況）引起的熒光非線性變化對油熒光測量的影響，嘗試?yán)蔑柡图ぐl(fā)情況下油熒光的非線性變化，對普通熒光光譜法和ICCD時間分辨熒光光譜均無法區(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)新點主要

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