一种基于机载多波长激光雷达探测海洋光学剖面的系统及反演方法

1.本发明涉及海洋光学探测领域，具体涉及一种基于机载多波长激光雷达探测海洋光学剖面的系统及反演方法。


背景技术：

2.随着激光技术的发展，主动式激光雷达具有高时空分辨率、可探测水体光学剖面和昼夜持续观测等优点。不仅在大气云层和吸收性气溶胶方面得到广泛的应用，而且在海洋浮游植物层探测、鱼群探测、水深反演等方面有较大的应用前景。海洋激光雷达探测原理是利用激光在海水中产生的后向散射信号反演海洋环境参数，在激光雷达系统硬件方面，目前仍存在着许多未解决的技术问题：如激光雷达同时探测浅海和深海区域时，浅海区域回波信号过饱和；针对不同类型水体，输出单一波长的激光雷达无法达到理想的探测性能。在反演算法方面，存在基于激光雷达回波信号反演海水光学参数精度较低的问题。因此在海洋激光雷达探测领域，亟需发展新型探测技术和较高精度的海洋光学参数反演方法。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明公开一种基于机载多波长激光雷达探测海洋光学剖面的系统及反演方法，该系统采用高重复频率的多波长激光器作为发射光源，通过分视场镜把接收光路分为大视场和小视场。反演方法基于斜率-扰动法反演海洋水体光学剖面参数，针对深海和浅海区域水体的光学特性分别采用大视场和小视场，重点探测海洋水体光学剖面。
4.本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
5.一种基于机载多波长激光雷达探测海洋光学剖面的系统，该系统包括：
6.多波长激光发射系统、望远镜接收系统、分视场镜系统、分光系统一、分光系统二、分光系统三、分光系统四、光电探测系统一、光电探测系统二、光电探测系统三、光电探测系统四、光电探测系统五、光电探测系统六、光电探测系统七、偏振分光系统、数据采集与处理系统；
7.所述多波长激光发射系统包括多波长激光器和激光扩束器，多波长激光器用于发射四种不同波长的激光，激光扩束器用于出射激光扩束并压缩其发散角；
8.所述望远镜接收系统用于接收激光在海水中产生的后向散射信号；
9.所述分视场镜系统包括聚焦透镜一和分视场镜，所述聚焦透镜一将所述后向散射信号聚焦到分视场镜，分视场镜将光束分成两束，一束进入分光系统一，另一束进入分光系统二；
10.分光系统一包括准直透镜一、分光镜一和反射镜，准直透镜一将光束准直后，分光镜一将准直后的光束分为两束，一束进入光电探测系统一，另一束经反射镜入射到光电探测系统二；
11.光电探测系统一包括带通滤光片一、聚焦透镜二和光电探测器一，所述带通滤光片一将光束滤光后，聚焦透镜二将滤光后的光束聚焦，光电探测器一接收聚焦后的光束信号；
12.光电探测系统二包括带通滤光片二、聚焦透镜三和光电探测器二，所述带通滤光片二将光束滤光后，聚焦透镜三将滤光后的光束聚焦，光电探测器二接收聚焦后的光束信号；
13.分光系统二包括准直透镜二和分光镜二，准直透镜二将光束准直后，分光镜二将光束分为两束，一束进入光电探测系统三，另一束进入分光系统三；
14.光电探测系统三包括带通滤光片三、聚焦透镜四和光电探测器三，带通滤光片三将光束进行滤光后，聚焦透镜四将滤光后的光束聚焦，光电探测器三接收聚焦后的光束信号；
15.分光系统三为分光镜三，其将光束分为两束，一束进入光电探测系统四，另一束进入分光系统四；
16.光电探测系统四包括带通滤光片四、聚焦透镜五和光电探测器四，带通滤光片四将光束滤光后，聚焦透镜五对滤光后的光束聚焦，光电探测器四接收聚焦后的光束信号；
17.分光系统四包括分光镜四和带通滤光片五，分光镜四将光束分为两束，一束进入光电探测系统五，另一束经过带通滤光片五滤光后进入偏振分光系统；
18.光电探测系统五包括带通滤光片六、聚焦透镜六和光电探测器五，带通滤光片六将光束滤光后，聚焦透镜六对滤光后的光束聚焦，光电探测器五接收聚焦后的光束信号；
19.偏振分光系统为偏振分光镜，其将光束分成两束，一束进入光电探测系统六，另一束进入光电探测系统七；
20.光电探测系统六包括聚焦透镜七和光电探测器六，聚焦透镜七将光束聚焦后，光电探测器六接收聚焦后的光束信号；
21.光电探测系统七包括聚焦透镜八和光电探测器七，聚焦透镜八将光束聚焦后，光电探测器七接收聚焦后的光束信号；
22.数据采集与处理系统包括多通道数据采集卡和计算机，两者均与所有的光电探测器电连接，多通道数据采集卡用于机载多波长海洋激光雷达数据的采集，计算机用于激光雷达数据的处理分析。
23.进一步地，所述望远镜接收系统采用200mm直径的卡式望远镜，焦距为700mm。
24.进一步地，所述带通滤光片一的中心波长为500nm,透过率大于90％，短波介质范围： 200-472nm，长波截止范围：527-1200nm；所述带通滤光片二的中心波长为532nm，透过率大于90％，短波截止范围：200-512nm，长波截止范围：552-1200nm；所述带通滤光片三的中心波长为1064nm，透过率大于90％，短波截止范围：200-1039nm，长波截止范围： 1089-1200nm；所述带通滤光片四的中心波长为355nm，透过率大于90％，短波截止范围： 200-345nm，长波截止范围：365-1200nm；所述带通滤光片五的中心波长为500nm,透过率大于90％，短波介质范围：200-472nm，长波截止范围：527-1200nm；所述带通滤光片六的中心波长为532nm，透过率大于90％，短波截止范围：200-512nm，长波截止范围：552-1200nm。
25.一种基于上述的机载多波长激光雷达系统探测海洋光学剖面的反演方法，该方法包括如下步骤：
26.s1：所述多波长激光器发射1064nm、532nm、486nm和355nm的激光，分视场镜将光束分为大视场角的光束和小视场角的光束，大视场角的光束进入分光系统一，小视场角的光束进入分光系统二；
27.s2：计算机对七个光电探测器采集到的机载多波长激光雷达数据进行预处理；
28.(1)基于飞机pos数据中的飞行时间、经纬度和激光雷达数据采集时间对七个光电探测器采集到的机载多波长激光雷达数据进行分离，保留多波长海洋激光雷达数据s
raw
；
29.(2)将多波长海洋激光雷达数据s
raw
中的脉冲数据进行平均处理，得到s
mean
；
30.(3)对s
mean
中脉冲数据的背景噪声点进行平均处理，得到s
noise
，然后基于公式 s
denoise
＝s
mean-s
noise
得到去噪后的脉冲数据s
denoise
；
31.(4)利用1064nm通道采集的激光雷达数据计算机载激光雷达系统与海表之间的高度，并对所有通道的激光雷达数据进行距离校正，得到s(λ，z)；其中，λ为激光波长，z为海水深度；
32.s3:计算海洋水体激光雷达衰减系数k
lidar
(λ，z)；
33.假设海洋水体后向散射系数与激光雷达衰减系数满足β(λ，z)＝ak
lidar
(λ，z)r，取激光雷达探测的某边界值深度为zb，则激光雷达衰减系数表示为：
[0034][0035]
其中，a为相关参数，r为激光雷达后向散射消光对数比；
[0036]
s4：计算海洋水体激光雷达后向散射系数β(λ，z)；
[0037]
(1)假设激光雷达后向散射系数是不随深度变化的均匀水体光学参数和随深度变化的非均匀水体光学参数之和，则激光雷达后向散射系数β(λ，z)表述为
[0038][0039]
其中，
[0040]
s(λ，z)＝sh(λ，z) s
inh
(λ，z)
[0041]
sh(λ，z)＝k
·
βh(λ，z)
·
exp[-2k
lidar
(λ，z)]
[0042]sinh
(λ，z)＝k
·
β
inh
(λ，z)
·
exp[-2k
lidar
(λ，z)]
[0043]
lnsh(λ，z)＝lnk
·
βh(λ，0)-2k
lidar
(λ，0)
[0044]
其中，sh(λ，z)为均匀水体部分产生的激光雷达回波信号，s
inh
(λ，z)为非均匀水体产生的激光雷达回波信号，k为激光雷达系统常数，βh(λ，z)为均匀水体产生的后向散射系数，β
inh
(λ，z)为非均匀水体产生的后向散射系数；
[0045]
s5：分别计算大视场和小视场各个波段的海洋水体光学剖面参数k
lidar
(532nm，z)， k
lidar
(486nm，z)，k
lidar
(355nm，z)，β(532nm，z)，β(486nm，z)和β(355nm，z)。
[0046]
进一步地，zb选取激光雷达的最大有效探测深度。
[0047]
进一步地，所述大视场角的范围为6-25mrad，小视场角的范围为0-6mrad。
[0048]
本发明的有益效果如下：
[0049]
(1)本发明的基于机载多波长激光雷达探测海洋光学剖面的系统，具有探测海洋
中一类水体和二类水体的能力，通过接收到的多波长激光雷达信号，可用于探测海洋水体光学剖面、次表层信息、浮游植物垂直分层结构、以及海洋混合层深度的时空变化。
[0050]
(2)通过分视场镜系统把光路分为小视场和大视场，能更有效的探测浅海区域和深海区域。
[0051]
(3)本发明的反演方法首先通过1064nm通道对所有通道的激光雷达数据进行距离校正，然后选取激光雷达最大有效探测深度作为光学参数反演的边界条件，最后利用扰动法假设激光雷达后向散射系数是不随深度变化的均匀水体光学参数和随深度变化的非均匀水体光学参数之和。在距离校正方面，提升了不同深度处的光学参数的反演精度；在最大有效探测深度范围内，降低了因为信号突变而造成的反演误差；扰动法提升了激光雷达在水体光学特性变化不剧烈时光学参数的反演精度。通过该反演方法获得的海洋光学剖面参数，能够用于评估浮游植物粒径分布，并进一步评估海洋浮游植物群落分布。
附图说明
[0052]
图1为本发明的基于机载多波长激光雷达探测海洋光学剖面的系统的示意图；
[0053]
图2为本发明的反演方法的流程图；
[0054]
图3为反演的海洋水体激光雷达衰减系数结果图；
[0055]
图4为反演的海洋水体激光雷达后向散射系数结果图。
[0056]
图中，多波长激光器1、激光扩束器2、望远镜接收系统3、聚焦透镜一4、分视场镜5、准直透镜一6、分光镜一7、带通滤光片一8、聚焦透镜二9、光电探测器一10、反射镜11、带通滤光片二12、聚焦透镜三13、光电探测器二14、准直透镜二15、分光镜二16、带通滤光片三17、聚焦透镜四18、光电探测器三19、分光镜三20、带通滤光片四21、聚焦透镜五 22、光电探测器四23、分光镜四24、带通滤光片六25、聚焦透镜六26、光电探测器五27、带通滤光片五28、偏振分光镜29、聚焦透镜七30、光电探测器六31、聚焦透镜八32、光电探测器七33、多通道数据采集卡34、计算机35。
具体实施方式
[0057]
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0058]
如图1所示，本发明的基于机载多波长激光雷达探测海洋光学剖面的系统包括多波长激光器1、激光扩束器2、望远镜接收系统3、聚焦透镜一4、分视场镜5、准直透镜一6、分光镜一7、带通滤光片一8、聚焦透镜二9、光电探测器一10、反射镜11、带通滤光片二12、聚焦透镜三13、光电探测器二14、准直透镜二15、分光镜二16、带通滤光片三17、聚焦透镜四18、光电探测器三19、分光镜三20、带通滤光片四21、聚焦透镜五22、光电探测器四 23、分光镜四24、带通滤光片六25、聚焦透镜六26、光电探测器五27、带通滤光片五28、偏振分光镜29、聚焦透镜七30、光电探测器六31、聚焦透镜八32、光电探测器七33、多通道数据采集卡34、计算机35。
[0059]
多波长激光器1和激光扩束器2组成多波长激光发射系统，多波长激光器1用于发射四种不同波长的激光，作为优选，发射1064nm、532nm、486nm和355nm的激光，1064nm激光通道用来校正机载激光雷达系统与海面之间的高度，532nm激光通道优先探测二类水体光
学特性，486nm激光通道优先探测一类水体光学特性，355nm激光通道优先探测海洋水体的荧光特性。多波长激光器1波长355nm激光输出的平均功率为3.8w，486nm激光输出的平均功率为0.3w，532nm波长输出的平均功率为1.7w，1064nm激光输出的平均功率为4.2w。激光扩束器2用于出射激光扩束并压缩其发散角。
[0060]
望远镜接收系统3用于接收激光在海水中产生的后向散射信号，为了更好的提升机载多波长激光雷达的探测性能，其采用的是200mm直径的卡式望远镜，焦距为700mm。
[0061]
聚焦透镜一4和分视场镜5组成分视场镜系统，聚焦透镜一4将望远镜接收系统3接收到的海水中产生的后向散射信号聚焦到分视场镜5，分视场镜将光束分成两束，一束进入分光系统一，另一束进入分光系统二。
[0062]
准直透镜一6、分光镜一7和反射镜11组成分光系统一，准直透镜一6将光束准直后，分光镜一7将准直后的光束分为两束，一束进入光电探测系统一，另一束经反射镜11入射到光电探测系统二；
[0063]
带通滤光片一8、聚焦透镜二9和光电探测器一10组成光电探测系统一，带通滤光片一 8将光束滤光后，聚焦透镜二9将滤光后的光束聚焦，光电探测器一10接收聚焦后的光束信号。作为优选，带通滤光片一8的中心波长为500nm，透过率大于90％，短波截止范围： 200-472nm，长波截止范围：527-1200nm；光束经带通滤光片一8滤光后，后向散射光中只有486nm波长的散射光通过，486nm波长的散射光经聚焦透镜二9后由光电探测器一10接收。
[0064]
带通滤光片二12、聚焦透镜三13和光电探测器二14组成光电探测系统二，带通滤光片二12将光束滤光后，聚焦透镜三13将滤光后的光束聚焦，光电探测器二14接收聚焦后的光束信号。作为优选，带通滤光片二12的中心波长为532nm，透过率大于90％，短波截止范围： 200-512nm，长波截止范围：552-1200nm；光束经过带通滤光片二12，后向散射光中只有532nm 波长的散射光通过，532nm波长的散射光经聚焦透镜三13后由光电探测器二14接收。
[0065]
准直透镜二15和分光镜二16组成分光系统二，准直透镜二15将光束准直后，分光镜二 16将光束分为两束，一束进入光电探测系统三，另一束进入分光系统三。
[0066]
带通滤光片三17、聚焦透镜四18和光电探测器三19组成光电探测系统三，带通滤光片三17将光束进行滤光后，聚焦透镜四18将滤光后的光束聚焦，光电探测器三19接收聚焦后的光束信号。作为优选，带通滤光片三17的中心波长为1064nm，透过率大于90％，短波截止范围：200-1039nm，长波截止范围：1089-1200nm。光束经过带通滤光片三17后，后向散射光中只有1064nm波长的散射光通过，1064nm波长的散射光经聚焦透镜四18后由光电探测器三19接收。
[0067]
分光镜三20将光束分为两束，一束进入光电探测系统四，另一束进入分光系统四。
[0068]
带通滤光片四21、聚焦透镜五22和光电探测器四23组成光电探测系统四，带通滤光片四21将光束滤光后，聚焦透镜五22对滤光后的光束聚焦，光电探测器四23接收聚焦后的光束信号。作为优选，带通滤光片四21的中心波长为355nm，透过率大于90％，短波截止范围： 200-345nm，长波截止范围：365-1200nm。光束经过带通滤光片四21后，后向散射光中只有 355nm波长的散射光通过，355nm波长的散射光经聚焦透镜五22后由光电探测器四23接收。
[0069]
分光镜四24和带通滤光片五28组成分光系统四，分光镜四将光束分为两束，一束进入光电探测系统五，另一束经过带通滤光片五28滤光后进入偏振分光系统。作为优选，带
通滤光片五28的中心波长为500nm，透过率大于90％，短波介质范围：200-472nm，长波截止范围：527-1200nm。光束经带通滤光片五28滤光后，后向散射中只有486nm波长的散射光通过，486nm波长的散射光进入偏振分光系统。
[0070]
带通滤光片六25、聚焦透镜六26和光电探测器五27组成光电探测系统五，带通滤光片六将光束滤光后，聚焦透镜六对滤光后的光束聚焦，光电探测器五接收聚焦后的光束信号。作为优选，带通滤光片六25的中心波长为532nm，透过率大于90％，短波截止范围：200-512nm，长波截止范围：552-1200nm。光束经过带通滤光片六25后，后向散射光中只有532nm波长的散射光通过，532nm波长的散射光经聚焦透镜六26后由光电探测器五27接收。
[0071]
偏振分光镜29将光束分成两束，一束进入光电探测系统六，另一束进入光电探测系统七。
[0072]
聚焦透镜七30和光电探测器六31组成光电探测系统六，聚焦透镜七30将垂直偏振光聚焦后，光电探测器六31接收聚焦后的光束信号。
[0073]
聚焦透镜八32和光电探测器七33组成光电探测系统七，聚焦透镜八32将光束聚焦后，光电探测器七33接收聚焦后的光束信号。
[0074]
数据采集与处理系统包括多通道数据采集卡34和计算机35，两者均与所有的光电探测器电连接，多通道数据采集卡用于机载多波长海洋激光雷达数据的采集，计算机用于激光雷达数据的处理分析。
[0075]
如图2所示，本发明的基于机载多波长激光雷达系统探测海洋光学剖面的反演方法，该方法包括如下步骤：
[0076]
步骤一：多波长激光器发射1064nm、532nm、486nm和355nm的激光，为了更好的探测浅海区域和深海区域，分视场镜将光束分为大视场角的光束和小视场角的光束，大视场角的光束进入分光系统一，小视场角的光束进入分光系统二。作为优选，小视场光路的接收视场角范围为：0-6mrad，大视场光路的接收视场角范围为：6-25mrad。
[0077]
步骤二：计算机对七个光电探测器采集到的机载多波长激光雷达数据进行预处理；
[0078]
(1)基于飞机pos数据中的飞行时间、经纬度和激光雷达数据采集时间对七个光电探测器采集到的机载多波长激光雷达数据进行分离，保留多波长海洋激光雷达数据s
raw
；
[0079]
(2)将多波长海洋激光雷达数据s
raw
中的脉冲数据进行平均处理，得到s
mean
；例如，将每50个脉冲数据进行平均处理，从而降低异常信号对反演结果的影响。
[0080]
(3)对s
mean
中脉冲数据的背景噪声点进行平均处理，得到s
noise
，然后基于公式 s
denoise
＝s
mean-s
noise
得到去噪后的脉冲数据s
denoise
。例如，将后200个背景噪声点进行平均处理得到s
noise
。
[0081]
(4)利用1064nm通道采集的激光雷达数据计算机载激光雷达系统与海表之间的高度，并对所有通道的激光雷达数据进行距离校正，得到s(λ，z)；其中，λ为激光波长，z为海水深度；
[0082]
步骤三：计算海洋水体激光雷达衰减系数k
lidar
(λ，z)；
[0083]
(1)假设海洋水体后向散射系数与激光雷达衰减系数满足
[0084]
β(λ，z)＝ak
lidar
(λ，z)r[0085]
其中a为相关参数，r为激光雷达后向散射消光对数比；
[0086]
(2)对激光雷达信号s(λ，z)求导可以得到：
[0087][0088]
(3)把公式(1)带入公式(2)可得：
[0089][0090]
(4)取激光雷达探测的某边界值深度为zb，则激光雷达衰减系数表示为：
[0091][0092]
步骤四：计算海洋水体激光雷达后向散射系数β(λ，z)；
[0093]
(1)假设激光雷达后向散射系数是不随深度变化的均匀水体光学参数和随深度变化的非均匀水体光学参数之和，则激光雷达回波信号和后向散射系数可以表示为：
[0094]
s(λ，z)＝sh(λ，z) s
inh
(λ，z),
ꢀꢀꢀ
(5)
[0095]
β(λ，z)＝βh(λzz) β
inh
(λ，z),
ꢀꢀꢀ
(6)
[0096]
sh(λ，z)＝k
·
βh(λ，z)
·
exp[-2k
lidar
(λ，z)]
ꢀꢀꢀ
(7)
[0097]sinh
(λ，z)＝k
·
β
inh
(λ，z)
·
exp[-2k
lidar
(λ，z)]
ꢀꢀꢀ
(8)
[0098]
其中sh(λ，z)为均匀水体部分产生的激光雷达回波信号，s
inh
(λ，z)为非均匀水体产生的激光雷达回波信号，k为激光雷达系统常数，βh(λ，z)为均匀水体产生的后向散射系数，β
inh
(λ，z)为非均匀水体产生的后向散射系数。
[0099]
均匀水体中激光雷达回波信号和衰减系数、后向散射系数之间的关系表示为：
[0100]
lnsh(λ，z)＝lnk
·
βh(λ，0)-2k
lidar
(λ，0)
ꢀꢀꢀ
(9)
[0101]
因此，结合公式(5)-(9)，激光雷达后向散射系数表述为：
[0102][0103]
步骤五：分别计算大视场和小视场各个波段的海洋水体光学剖面参数k
lidar
(532nm，z)， k
lidar
(486nm，z)，k
lidar
(355nm，z)，β(532nm，z)，β(486nm，z)和β(355nm，z)。
[0104]
根据上述计算得到的海洋水体光学剖面参数，可用于评估浮游植物粒径分布，并进一步评估海洋浮游植物群落分布。
[0105]
图3是采用本发明的基于机载多波长激光雷达探测海洋光学剖面的系统及方法所反演得到的海洋水体激光雷达衰减系数结果，从图中可以清晰的看出海洋水体激光雷达衰减系数剖面分布。
[0106]
图4是采用本发明提出的基于机载多波长激光雷达探测海洋光学剖面的系统及方法所反演得到的海洋水体激光雷达后向散射系数结果，从图中可以清晰的看出海洋水体激光雷达后向散射系数剖面分布。
[0107]
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。