海洋测温布里渊激光雷达干涉图像数据处理方法研究

摘要

激光雷达测量是唯一可以通过遥感方式获取海水水下温度垂直分布的手段，具有测量效率高，费用低等优点。目前，一种基于布里渊散射激光雷达的测温技术被提出，该技术利用激光在蓝绿光波段能够穿透水层的特性，通过检测激光布里渊散射频谱的变化来反演海水中温度的变化。布里渊散射信号的检测和处理方法直接决定了系统的测量精度，在频谱测量中主要有两种方法是：1、采用法布里珀罗扫描干涉仪（Fabry-Pérot interferometer，FPI）；2、采用碘分子吸收池鉴频器。这两种方法对工作环境要求很苛刻，目前均没有得到工程应用。
　　近年来，一种法布里珀罗标准具（Fabry-Pérot etalon，FPE）结合增强型电耦合元件（intensified Charge-coupled Device，ICCD）用于布里渊散射频谱检测。该技术通过ICCD检测散射信号在FPE上形成的干涉图样，然后利用从干涉图样中获取的布里渊散射频移与线宽等频谱信息，从而依据频谱信息参数反演海水温度。该方法为非扫描式测量，单次测量耗时短，且对入射光的准直性、立体角以及激光器的单稳频特性没有严格要求，可在复杂恶劣的实际环境中进行实时测量。但是，目前受ICCD像素尺寸较大、干涉谱与入射光谱相关理论不完备、单次测量的随机噪声大等因素影响，目前该技术的测量精度不高，散射频谱测量精度只有约几十MHz，对应约1℃的温度精度。
　　本文以提高基于FPE结合ICCD的激光雷达的测量精度为研究目标，对干涉图像信号处理相关理论及方法展开了研究，主要研究工作如下：
　　1、在对海水中布里渊散射物理过程与产生机理研究基础上，依据电磁场理论推导了布里渊散射谱线形模型，为后续研究工作奠定了理论基础。
　　2、依据布里渊散射激光雷达测温原理，设计了FPE结合ICCD的布里渊激光雷达系统整体方案，完成了光学发射和接收部分以及信号采集部分等子系统的设计和关键器件选型。分析研究了干涉谱与入射光谱的相互关系，构建了干涉图样数学模型，并对ICCD拍摄到的干涉图样进行仿真分析。结果表明，干涉图中漂移一个像素会引起约45MHz的频谱测量误差，直接导致约3℃的温度测量误差；由此总结出影响系统测量精度的两个主要因素，一是ICCD像素尺寸，二是干涉谱与入射光谱作用机理。针对第一个因素，论文提出了一种基于统计的干涉圆环圆心确定方法和一种基于距离的像素插值合并方法，实得采样间隔达到亚像素级别；针对第二个因素，本文通过对干涉图样的数学模型进行非线性拟合还原得到入射光谱。
　　3、提出了一种新的干涉图样信号处理方法。文章对该方法分别进行了仿真图像验证和实际实验数据验证。验证结果表明该方法不仅能准确反演出仿真图像对应的海水温度，还能在真实试验中达到0.1℃的测量精度。
　　综上所述，本文提出的FPE干涉图像数据处理方法克服了传统处理方法中，由于无法达到亚像素取样以及将干涉谱代替入射谱造成的频谱测量精度低的问题，使得海水温度的反演精度从约1℃提高到0.1℃。同时该方法具有高效实时，工程实现性强的特点，为海洋环境监测的提供了一种有力的手段，具有广阔的环境、社会和经济效益与前景。

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1 绪 论

1.1项目研究的目的和意义

1.2国内外的研究情况

1.3本文的主要研究内容

2 海水光学特性及布里渊散射相关理论研究

2.1海水的光学特性

2.2布里渊散射基本理论

2.3布里渊散射海水测温原理

2.4本章小结

3 FPE干涉圆环图样模型研究

3.1布里渊散射激光雷达系统方案研究

3.2干涉圆环数学模型研究

3.3干涉圆环模拟仿真与分析

3.4本章小结

4 干涉图样处理方法研究设计

4.1传统处理方法分析

4.2干涉图样处理方法设计

4.3处理方法仿真性验证

4.4本章小结

5 实验结果与分析

5.1实验方案

5.2实验数据

5.3数据处理与结果分析

5.4本章小结

6 总结与展望

6.1本文研究工作总结

6.2对未来工作的展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文及研究成果