视场可调节海洋激光雷达实验系统研制与ICCD激光荧光实验研究

摘要

作为一种主动遥感海洋探测技术，海洋激光雷达具有探测动态范围大、时间分辨率高、测量效率高等优点，可以用于水体光学性质和海洋荧光的测量，能够实现多种海洋光学参数的探测。
　　海水光学特性参数探测方面，海洋激光雷达的优势在于能够通过雷达衰减系数K lidar反演水体的吸收系数a、衰减系数c或漫射衰减系数K d，但由于受到单一视场结构的限制，常规海洋激光雷达仅能测量其中一个参数。因此，发展多视场或可调节视场海洋激光雷达成为必然趋势。另外，如何利用多个接收视场情况的探测回波反演多个海水光学参数，也是海洋激光雷达探测应用的前沿问题。
　　海洋荧光探测方面，利用激光诱导荧光分析海表或海水中物质成分，也是海洋激光雷达探测应用的热点问题。时间分辨荧光光谱的探测应用，以及分析饱和激发情况下物质荧光非线性变化对探测结果的影响，对海洋荧光雷达的应用发展具有重要意义。
　　本文针对海洋激光雷达的上述问题进行了相关实验研究，成功研制了一套可调节视场的船载海洋激光雷达系统原理样机，并基于ICCD对激光雷达探测海洋荧光进行了实验室研究。根据探测机制不同，本文的研究工作分为两部分。
　　第一部分，可调节视场海洋激光雷达系统研制与实验研究。具体内容包括：（1）总结目前涉及视场参量的海洋激光雷达探测水体光学参数理论，模拟不同接收视场情况下海洋激光雷达探测水体光学参数的激光回波，分析激光雷达衰减系数K lidar与水体光学参数a、c和Kd的反演关系变化；分析对比Walker-McLean模型和Kopilevich模型，提出船载海洋激光雷达应用情况下多个水体光学参数的提取方法；（2）依据激光雷达探测理论计算和噪声分析确定船载可调节视场的设计范围，研制出一套可调节视场海洋激光雷达原理样机，并利用该系统对水体光学参数进行实验测量，分析K lidar与接收视场的变化关系，获得与理论一致的趋势。水池实验中，激光雷达所测参数a和c值与AC-S测量的值比对一致，误差小于5％。外场实验中对青岛中苑码头浑浊水体进行了测量，实验分析了相同视场情况不同探测高度或不同水质对K lidar反演的影响，结果表明：相同视场情况下，随探测高度增加，K lidar值逐渐趋向于参数a；相同视场和探测高度情况下，对比浑浊水体和水池较清洁水体的探测，K lidar随着接收视场的变化趋势一致。
　　第二部分，基于ICCD的海洋荧光激光雷达实验研究。具体研究内容包括：（1）利用 ICCD的时间分辨测量优势，实验分析海水中可溶性有机物和叶绿素荧光寿命与海水Raman存在的响应差异；针对溢油探测，利用不同时刻油样本荧光光谱在主成分特征矢量空间中样本位置点间相关距离的变化，实现油荧光的时序变化差异分析，优化了不同油样本间的区分能力。（2）海洋荧光探测应用中，实验分析了激光能量密度过大（即饱和激发情况）引起的荧光非线性变化对油荧光测量的影响，尝试利用饱和激发情况下油荧光的非线性变化，对普通荧光光谱法和ICCD时间分辨荧光光谱均无法区分的油样本进行分析，建立基于激光能量变化的三维油荧光光谱作为一种荧光指纹，用于优化油样本间的区分。
　　本文创新点主要包括：（1）研制可调节视场的船载海洋激光雷达原理样机，在理论计算和噪声分析基础上确定该原理样机的系统设计参数；（2）利用可调节视场海洋激光雷达原理样机，开展水池和近岸水体实验研究，初步实验结果表明该系统能够用于海水光学参数的测量。结合Walker-McLean和Kopilevich激光雷达理论，提出船载探测情况下水体光学参数的提取方法；（3）针对海洋荧光探测应用，基于ICCD开展了激光荧光探测研究，利用不同时刻油荧光光谱特征和基于激光能量参量的三维油荧光谱提高不同油样本间的区分能力。

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1 引言

1.1 国内外海洋激光雷达系统的发展现状

1.2 海洋激光雷达系统的发展趋势

1.3 学术构想及技术路线

1.4 本文的内容安排

2 海洋激光雷达探测海水光学参数原理分析

2.1 海水光学特性

2.1 海洋激光雷达方程

2.3 海洋激光雷达探测水体光学特性参数的理论发展

2.4 引入视场角参量的海洋激光雷达方程推导

2.5可调节视场测量海水光学特性的模拟分析

2.6多视场参数提取模型的建立

2.7 本章小结

3 可调节视场海洋激光雷达系统设计与实验

3.1系统整体设计方案

3.2可调节视场探测论证实验

3.3 水池探测实验

3.4 外场探测实验

3.5 探测高度及水质影响验证实验

3.6 海面测量影响因素分析

3.7 本章小结

4 基于ICCD海洋荧光激光雷达的实验研究

4.1 基于ICCD的海洋荧光激光雷达系统设计

4.2 海水荧光时间分辨测量

4.3 基于ICCD的海洋激光雷达在溢油探测中应用

4.4 饱和激发情况油荧光非线性分析

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 论文工作总结

5.2 研究展望

参考文献

附录

附录A:常用符号表示

附录B:多次前向-单次后向散射模型的理论推导

附录C:不同视场情况下激光雷达回波及KLidar反演图

附录D:实验印证数据图

附录E:不同时刻ICCD测量油样本荧光光谱图

致谢

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