基于蓝绿激光雷达的海洋赤潮探测方法研究

对基于蓝绿激光的海水光学传输信道特性进行了分析,提出了利用蓝绿激光雷达探测海洋赤潮的新方法。利用蓝绿激光具有较强的海水透过性,可以获取较深海域的赤潮信息。通过检测海水中蓝绿激光的后向散射信号,可以实现对海洋赤潮密度信息的获取。在分析海洋赤潮粒子吸收和散射特性的基础上,建立了基于蓝绿激光雷达的海洋赤潮密度探测模型。通过仿真计算,证明该模型可以有效探测出海洋赤潮密度的大小,进而可以实现对海洋赤潮消长过程的监测和预报。     

海洋悬浮粒子的光学后向散射率特性研究

后向散射率不仅是机载激光雷达探测海水后向散射信号的重要参量,也是海洋悬浮粒子重要的光学特性,根据米氏散射理论及其散射相函数计算公式,推导出了海洋悬浮粒子后向散射率的计算公式.通过对海水中的藻类粒子和悬浮泥沙颗粒散射相函数的分析,获取这两类主要海洋悬浮粒子各自的后向散射率,并进一步分析了后向散射率与粒子半径和波长的关系.仿真计算结果表明,当探测波长一定时,藻类粒子的后向散射率随粒子半径的增大而增大,而悬浮泥沙颗粒的后向散射率随粒子半径的增大而减小;当粒子半径一定时,藻类粒子和悬浮泥沙颗粒的后向散射率均随探测波长的增大而增大.     

载波调制激光雷达技术在海洋探测中的应用

介绍了一种水下探测技术,以激光脉冲信号为载波,将微波信号加载到激光脉冲上进行调制编码,调制编码信息由光信号携带进入水下.在接收端,通过频率滤波实现对编码信号的提取,由编码信号的信号处理实现激光雷达水下目标探测.将该技术与多种抑制海水后向散射的方法进行比较,对载波调制激光雷达在海洋探测应用的特点和研究现状进行了综述.     

蓝绿光星载海洋激光雷达全球探测深度估算

为了评估和分析激光雷达探测全球海洋光学参数的性能,根据激光雷达方程和给定的激光雷达参数,使用MODIS Level 3全球年平均的海水吸收系数a（）和后向散射系数bb（）数据作为海水光学参数的参考值,对蓝绿光星载海洋激光雷达在全球海洋的探测深度进行了估算和分析。研究结果表明:星载海洋激光雷达探测深度的分布主要依赖于探测波长和水体光学性质,清洁大洋水的最优探测波长在460 nm左右,白天和夜间的最大探测深度分别为~110 m和~120 m;沿岸浑浊水的最优探测波长多在500 nm以上,最大探测深度只能达到20 m或更浅。探测波长为470~480 nm时,星载海洋激光雷达在全球范围内的平均探测能力最佳。     

1.06μm激光在海水中传输特性的研究

分析了1.06μm脉冲激光信号与海水中各种物质的相互作用关系,分别就海水中水分子、浮游植物、黄色物质、悬浮颗粒与1.06μm脉冲激光的吸收和散射特性展开研究,最终构建了1.06μm脉冲激光在海水中的传输特性模型。该模型的建立,为采用1.06μm脉冲激光监测海洋环境参数奠定了理论基础。     

蒸发波导激光雷达的原理与信号接收系统设计

从海洋大气相对湿度的角度出发建立了大气折射率变化与气溶胶激光散射特性的理论联系,着重对蒸发波导激光雷达的信号接收系统进行了设计。针对微弱光信号接收、光电转换与电压放大的难点,前端信号调理电路采用雪崩光电二极管和宽带低噪声放大器对所述高速瞬态微弱光信号进行接收和二级放大,同时保证了系统的高增益、宽宽带及低噪声性能。采用波长为1.064μm的激光雷达对半径范围为0.1~20μm的气溶胶粒子群进行探测实验,进一步验证了信号接收系统的分辨率和灵敏度。     

海洋光学系统中的时空方法

海洋光学系统在海洋探索、开发和监测中起到了越来越重要的作用。水下无线光通信、水下激光雷达是两种迅速发展且有良好应用前景的海洋光学系统。水下无线光通信凭借高速率与低延迟的特点在中短距离应用中成为理想的通信选择;水下激光雷达在获取地理信息、目标探测等应用中也是常用的高精度、高效率的观测方法。然而,海水信道的复杂光学特性为海洋光学系统性能的进一步提升带来了挑战。在海水信道中,不仅吸收与散射作用较强,而且信道中可能有湍流、气泡等动态变化的干扰因素。为应对这些挑战,一方面可通过时间或空间方法提高信噪比;另一方面,时空信息转换的方法有利于提升系统的性能。文中对以上解决方案进行综述,并指出海洋光学系统的发展趋势。     

星载海洋激光雷达叶绿素剖面探测能力估算

为了评估和分析星载海洋激光雷达探测全球海洋光学参数的性能，依据激光雷达方程和蒙特卡罗模型结果模拟计算激光传输信号，开发了星载海洋激光雷达仿真模拟系统。仿真模拟系统由正向模拟、数据反演与误差分析三部分组成，能够模拟激光发射、传输和探测的全过程。根据给定的激光雷达参数，模拟了443 nm、486.1 nm和532 nm波长在地中海、印度洋、南大洋与太平洋四个典型海区的探测信号。研究结果表明，443 nm和486 nm波长的探测深度在各个海区均比较接近，并且均比532 nm更深。在给定的激光雷达参数情况下，486.1 nm波长在太平洋和南大洋的探测深度分别为120 m和70 m，在地中海和印度洋的探测深度均为约100 m。叶绿素a浓度在以上海区的探测深度分别约为80 m、50 m和70 m。     

深海目标探测中载波调制激光雷达技术的仿真分析

在深海目标探测中,蓝绿激光雷达发出的激光受到水体的后向散射,回波信号对比度下降严重,无法满足水下目标探测应用的要求.载波调制激光雷达水下目标探测技术能够有效抑制海水后向散射,提高目标对比度.利用计算机仿真载波调制激光雷达水下目标探测系统,通过仿真系统模拟回波信号,然后对比回波信号中激光信号和微波信号的目标对比度,并分析...     

混沌脉冲激光雷达水下目标探测

海水对光波的吸收和散射,严重制约了激光雷达水下目标探测的性能。通过对激光在海水传输过程中产生后向散射的定量分析,说明了激光回波信号被海水后向散射影响的严重性。分析比较了距离选通技术和强度调制技术抑制海水后向散射的能力,提出了使用自身具有高频强度调制特性的混沌脉冲激光进行水下目标探测,设计了基于相关法测距的混沌脉冲激光雷达水下目标探测方案。通过对后向散射光以及带有不同后向散射强度的回波信号光的时域和频域特性的研究,使用互相关噪声水平算法判定混沌脉冲激光雷达抑制海水后向散射的能力。理论仿真分析表明,当后向散射光强度是混沌脉冲激光强度36倍时,仍能提取出目标信号。     

1.064μm波长卷云反射率的模拟研究

为了给激光测距、激光对大气的探测等实际工程应用提供理论依据,采用逐线积分方法计算大气分子吸收,结合离散纵标法,并耦合卷云的单次散射特性,对由实心六棱柱状冰晶粒子组成的卷云在波长为1.064μm时的散射特性和辐射特性进行了理论分析,得到了该波长上激光在卷云中传输时的反射率随入射光源的位置、观测器的位置以及卷云参量(云光学厚度、粒子尺度等)的关系。结果表明,卷云在1.064μm附近对激光的主要影响是散射,吸收在消光中占了很小的部分;其次,卷云的散射明显改变了光辐射的空间分布,散射的方向变化主要由卷云的散射相函数以及光线入射角度和观测角度决定。这一结果对实际工程应用(比如激光测距、激光对大气的探测等)是有帮助的。     

载波调制激光雷达滤波带宽的半实物仿真平台

将脉冲激光调制成更窄脉宽的脉冲串,并作为激光雷达信源信号用于水下探测,在接收端采用窄带滤波器的方案被证明可以有效抑制海水后向散射对水下探测的影响。在实际应用中,在调制频率一定的情况下,接收端滤波器带宽设计直接决定系统对海水后向散射抑制能力。在研究海水水质参数与脉冲激光频率展宽的基础上,构建海洋载波调制脉冲激光雷达半实物平台进行仿真实验研究。半实物仿真表明,随着滤波带宽增大,对比度提升呈现出了先增大后缓慢下降的趋势。最后通过实验结果的对比分析给出了一种滤波器带宽设计方法。     

机载蓝绿激光水下目标探测技术的现状及前景

海洋中存在一个类似于大气中存在的透光窗口，即海水对波长在0.47～0．58μm波段内的蓝绿光比对其他光波段的衰减要小很多，可以用于水下目标的测量和通信。介绍了机载蓝绿激光水下目标探测技术的原理，探讨了蓝绿激光水下探测技术在军事和民用两方面的重要应用，全面描述了目前世界上已经出现的机载蓝绿激光水下目标测量系统的技术指标，并预测其未来的发展趋势。     

激光雷达大气波导折射率与消光系数研究

利用激光雷达探测大气波导具有抗电磁干扰能力强、保密性高、机动性强等优点,大气折射率和消光系数是激光传输情况的重要参考指标.文中采用激光后向散射式测量仪对1.064 μm波长激光大气传输的消光系数进行测量,并同步测量温度、湿度和大气压强来测量大气折射率,用实验数据和仿真研究激光雷达传输消光系数与大气折射率之间的相关性,结论表明二者之间存在线性关系相关,可为激光探测技术提供理论和实验参考.     

水下目标的激光双波段探测技术

研究了一种采用蓝绿波段激光、红外波段激光相结合的水下双波段激光探测技术,分析了红外波段激光击穿水辐射声波应用于水下探测的基本模式、探测特点及声信号的激发机理,实验研究了激光声信号的强度、波形、频谱等特性.实验结果表明,双波段激光复合探测模式可将空中光信道、水中声信道结合起来,具有强大的技术优势;激光声信号应用于水下探测,具有优良的脉冲特性及频谱特征.研究结果有助于推动激光在海洋中的探测应用.     

大气气溶胶和云雾粒子的激光雷达比

对探测大气气溶胶和云雾粒子的激光雷达的关键参量——激光雷达比问题进行了详细的讨论，利用实际大气气溶胶和云雾粒子的光学特性对0．532μm和l.064μm波长上的激光雷达比进行了计算分析，得到了各种气溶胶粒子组份和典型的集合状态以及云雾粒子的激光雷达比。发现激光雷达比和粒子的物理、光学性质密切相关，不同种类的粒子的激光雷达比有巨大的差异，并且两个波长上激光雷达比的相互关系也不相同，这些结果为激光雷达探测大气气溶胶和云雾粒子提供了依据。     

基于边缘探测技术的激光单稳频指标分析

基于边缘探测技术的激光雷达实际应用中,激光器在工作中发射光信号的中心频率会发生漂移,激光频率的漂移过大,会直接影响边缘探测系统的测量精度。采用仿真计算的方法得到碘分子吸收滤波器在470nm~550nm范围内的吸收光谱谱线,以基于边缘探测技术的激光雷达监测大气信道和海洋水下信道环境参数为例,得到适合大气和海洋探测吸收谱线并确定发射激光信号的中心频率。通过理论分析,给出了满足探测要求的激光发射信号单稳频指标,为实际探测系统的设计奠定基础。     

海洋激光雷达实验与仿真结果的对比

海洋激光雷达是探测上层海水并构建海洋立体观测网络的重要遥感设备。文中将激光雷达实验数据与MC (Monte Carlo)仿真、解析模型、原位数据进行综合对比,检验它们的匹配程度。与实验实测的激光雷达回波信号相比,MC仿真和解析模型均有很高的一致性(R^2>0.97),将原位漫射衰减系数(Kd)近似代入普通激光雷达方程也有较好的一致性(R^2>0.92)。反演得到的激光雷达衰减系数(α)表现出了相似的结果,MC仿真和解析模型具有更佳的一致性。结果表明:海洋激光雷达实验结果能与MC和解析模型的仿真结果很好地匹配。     

基于ICCD的机载海洋荧光激光雷达模拟研究

机载海洋荧光激光雷达是最有效的海洋环境监测手段之一, 世界上许多国家发展了机载海洋荧光激光雷达系统,并成功的应用于业务化测量。根据国际机载荧光激光雷达系统发展趋势,本文对基于512通道ICCD的机载海洋荧光激光雷达系统进行了实验室实验模拟和计算,对其可行性进行了评估。本文采用单脉冲能量70uJ的355nm Nd:YAG激光器作为激发光源,直径100mm,的透镜收集探测距离5米远荧光信号,信号具有较好信噪比。模拟计算表明,对于同样基于ICCD探测的机载海洋激光雷达,采用20Hz、单脉冲能量80mJ的激光器和200mm口径望远镜在150米探测距离可获得与实验室相当的结果。     

CALIOP反演海洋颗粒物后向散射方法

云和气溶胶探测激光雷达( Cloud-aerosol lidar with orthogonal polarization, CALIOP)能够发射532 nm 和 1064 nm 两种波长激光脉冲,主要用于大气中云和气溶胶的探测。532 nm激光脉冲在海洋表面有很好的穿透性,能获得海表以下的 后向散射信号。利用CALIOP数据对直接提取水下信号和瞬态响应校正提取水下信号两种方法进行对比研究。首先,反演 得到海洋次表层水下信号,进而反演海洋颗粒物后向散射,并与中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS)反演的颗粒物后向散射进行对比。颗粒物后向散射差值的均值分别为0.0035、0.0027; 标准偏差分别为0.4004、0.0042。表明校正方法反演的颗粒物后向散射与MODIS反演颗粒物后向散射更为接近。