基于激光诱导荧光的海洋环境参量遥感探测技术研究

摘要

激光诱导荧光（LIF）技术是一种主动光学探测技术，激光激发水中荧光物质产生荧光，通过分析荧光信息可快速获取水中溢油、有色可溶性有机物（CDOM）、叶绿素a等物质的品类及含量信息，是监测水体成分最有效的分析技术之一并迅速发展。目前已发展的LIF探测设备主要有基于机载、船载、岸基平台的荧光雷达和原位LIF探测设备。其中荧光雷达可通过遥感方式快速大面积监测海洋水生环境，但设备一般复杂庞大、造价高昂、需要专业人员操作及维护；船载和岸基的原位LIF探测设备具有灵敏度高、造价低的特点而被应用于水体成分的定性及定量分析，但测量速度慢，不利于海洋水生环境的大面积快速监测。目前国内外尚未见可遥感监测的小型便携LIF探测设备，根据LIF雷达的研究现状，本文对小型便携式及可无人机载的LIF探测系统进行了深入的研究。
　　本论文依据荧光雷达探测原理，研究了海水成分对海水固有光学性质的影响，计算了双向反射分布函数与海水成分的依赖关系，提出包含荧光的双向反射再辐射分布函数并推导了荧光雷达方程，设计了小型便携的LIF雷达监测系统，采用一种实时背景扣除算法获得了高信噪比高帧率荧光光谱数据，研制了可无线远程遥控的无人机载LIF监测系统。本文的主要研究内容如下：
　　（1）理论研究了荧光雷达探测的原理，介绍了荧光雷达探测中的重要参数。根据Mie散射理论计算了溢油海水的固有光学性质，采用实验经验模型计算了不同叶绿素含量海水的固有光学性质。
　　（2）介绍了海水的双向反射分布函数并引出包含荧光的双向反射再辐射分布函数。根据海水的固有光学性质计算了水体成分对双向反射分布函数的影响，并通过双向反射再辐射分布函数的计算建立荧光雷达方程，为荧光雷达探测提供理论指导。
　　（3）设计了一台便携式LIF雷达系统，主要包括发射接收系统和信号控制与处理系统的设计。对系统进行小型化紧凑设计，设计了准直发射光学系统和直视色散系统。为LIF雷达系统编写了软件应用程序及数据处理算法，完成了系统的同步控制及数据采集处理。
　　（4）为进一步提高荧光雷达系统工作性能，设计了基于选通ICCD的LIF雷达系统。选择三个405nm半导体激光器合束获得了峰值功率4W左右的激光输出以提高机载遥感监测距离，并为系统设计了双向无线通信模块。为LIF雷达系统编写高速实时背景扣除算法，实现了荧光光谱信号的快速实时高信噪比获取。设计的LIF雷达系统总重量仅5kg，满足小型无人机挂载飞行要求。
　　（5）利用研制的LIF雷达系统在室内及外场进行了一系列实验测试，测量了不同水样本、不同油样本的荧光光谱并进行了定性及定量分析。分别在中国山东威海靖子、小石岛沿岸海域进行了岸基实验研究，验证了系统对水体成分及水中污染物的快速检测能力。采用样品水池及无人机测试了LIF雷达系统，并在山东威海北海沿岸海域进行了机载飞行实验，系统稳定性好，可迅速获取水体的荧光信息，验证了无人机载LIF雷达系统的遥感探测能力。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2溢油鉴别技术概述

1.3水中叶绿素a及CDOM检测方法概述

1.4 激光诱导荧光技术在水生环境的应用及发展概述

1.5 本文研究的主要内容

第2章 海水的光学性质

2.1引言

2.2表观光学性质

2.3固有光学性质

2.4荧光性质

2.5双向反射分布函数

2.6本章小结

第3章 海水的双向反射分布函数仿真研究

3.1引言

3.2蒙特卡罗模型建立

3.3溢油海水BRDF及BRRDF

3.4不同叶绿素含量海水的BRDF及BRRDF

3.5探测位置及风浪对BRDF及BRRDF的影响

3.6激光及荧光雷达方程

3.7本章小结

第4章 激光诱导荧光雷达设计研制

4.1 引言

4.2便携式激光诱导荧光雷达的设计研制

4.3可无人机载高速LIF雷达系统的设计研制

4.4本章小结

第5章 激光诱导荧光雷达系统测试

5.1引言

5.2便携式LIF雷达系统测试

5.3高速实时LIF雷达系统测试

5.4无人机载激光荧光光谱测量

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历