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海洋激光雷達探測技術 版權信息
- ISBN：9787030732439
- 條形碼：9787030732439 ; 978-7-03-073243-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
海洋激光雷達探測技術 內容簡介
本書介紹海洋激光遙感理論和方法，系統論述海洋激光雷達的探測原理、輻射傳輸理論、數據處理方法和模擬仿真技術，在船載和機載海洋激光雷達系統研制和試驗基礎上，論證我國星載海洋激光雷達系統技術方案。全書共8章，包括緒論、船載海洋激光雷達系統、機載海洋激光雷達系統、海洋激光誘導熒光雷達遙感技術、海洋激光雷達光學剖面及次表層探測方法、海洋激光雷達淺海水深探測方法、海洋激光雷達信號數值仿真技術、星載海洋激光雷達系統設計。
海洋激光雷達探測技術 目錄
目錄
第1章緒論 1
1.1 概述 1
1.1.1 海洋激光雷達探測原理 2
1.1.2 海洋激光雷達探測發展歷程 4
1.2 激光在大氣中的傳輸特性 7
1.2.1 大氣吸收 7
1.2.2 大氣散射 8
1.2.3 大氣湍流 8
1.3 激光在氣-水界面的傳輸特性 8
1.3.1 激光在靜止海面的傳輸 8
1.3.2 激光在粗糙海面的傳輸 9
1.4 激光在海水中的傳輸特性 9
1.4.1 海水的光學參數 10
1.4.2 激光在海水中的衰減特性 11
1.4.3 激光在海水中的吸收特性 11
1.4.4 激光在海水中的散射特性 12
1.5 海洋激光雷達的應用領域 15
1.5.1 水體次表層 15
1.5.2 海水光學性質 15
1.5.3 淺海測深 16
1.5.4 海面高度 17
1.5.5 海面風速 18
1.5.6 大洋漁業 19
1.5.7 海洋動力過程 19
1.5.8 海洋環境探測 19
第2章船載海洋激光雷達系統 22
2.1 多探測體制激光雷達 22
2.1.1 彈性散射海洋激光雷達 22
2.1.2 布里淵散射海洋激光雷達 30
2.2 線性探測海洋激光雷達 33
2.2.1 總體方案設計 33
2.2.2 發射系統 35
2.2.3 接收系統 36
2.2.4 信號采集和處理 37
2.3 光子計數海洋激光雷達 38
2.3.1 總體方案設計 38
2.3.2 發射光學系統 39
2.3.3 接收光學系統 41
2.3.4 數據采集系統 42
2.4 變視場水下海洋激光雷達 43
2.4.1 總體方案設計 43
2.4.2 激光器 44
2.4.3 發射接收光學系統 44
2.4.4 總控模塊 45
2.5 高光譜分辨率海洋激光雷達 46
2.5.1 基本原理與結構 46
2.5.2 激光器 47
2.5.3 光譜鑒頻器 50
2.6 船載綜合試驗 51
2.6.1 海上固定平臺試驗 51
2.6.2 千島湖船載試驗 52
2.6.3 海上船測試驗 56
第3章機載海洋激光雷達系統 65
3.1 總體方案與技術指標 65
3.2 激光器模塊和掃描模塊 67
3.2.1 激光器模塊 67
3.2.2 掃描模塊 69
3.3 收發光路和探測模塊 70
3.3.1 收發光路 70
3.3.2 探測模塊 71
3.4 高速采集和控制模塊 73
3.4.1 硬件總體框架 73
3.4.2 高速ADC采集 73
3.4.3 千兆網絡接口 74
3.4.4 SATA 接口 75
3.5 機載激光-船載實測同步驗證試驗 76
3.5.1 南海機載激光雷達飛行試驗 76
3.5.2 南海機載激光雷達與高光譜飛行試驗 78
3.5.3 南海機載/船載海洋激光雷達試驗 79
3.5.4 南海機載激光雷達試驗及船載同步驗證 81
3.5.5 南海無人機載激光雷達飛行試驗 82
第4章海洋激光誘導熒光雷達遙感技術 84
4.1 激光誘導熒光海洋探測技術 84
4.1.1 激光誘導熒光探測原理 85
4.1.2 激光誘導熒光探測系統設計 87
4.1.3 共線聚焦式激光誘導熒光探測系統 94
4.1.4 正交式激光誘導熒光探測系統 96
4.2 激光誘導熒光測量海洋水色參數方法 98
4.2.1 概述 98
4.2.2 反演模型 100
4.2.3 近海實測數據采集 105
4.2.4 實測數據及測量方法 105
4.2.5 實驗結果和分析 107
4.3 激光誘導熒光區分赤潮藻種類技術 114
4.3.1 概述 114
4.3.2 海洋藻類水體熒光特性分析 114
4.3.3 8 種赤潮藻區分識別實驗 122
第5章海洋激光雷達光學剖面及次表層探測方法 128
5.1 數據預處理 128
5.1.1 背景噪聲去除 128
5.1.2 回波信號去卷積 130
5.1.3 距離校正 131
5.1.4 幾何因子校正 132
5.1.5 激光雷達常數確定 132
5.2 光學剖面反演方法 133
5.2.1 傳統反演方法 133
5.2.2 基于生物光學模型的迭代反演方法 142
5.2.3 混合反演方法及試驗結果 146
5.3 次表層浮游植物探測方法 151
5.3.1 海洋次表層葉綠素*大值層分析 152
5.3.2 次表層浮游植物散射層探測方法 153
5.3.3 南海三亞灣次表層探測試驗 155
5.3.4 千島湖次表層探測試驗 158
第6章海洋激光雷達淺海水深探測方法 162
6.1 回波信號分類方法 162
6.1.1 基于支持向量機的海陸波形分類模型構建 162
6.1.2 海陸波形分類結果與分析 165
6.1.3 基于頻譜域的海洋激光雷達水體波形分類 170
6.2 氣-水界面探測方法 172
6.2.1 氣-水界面的激光雷達能量分布 172
6.2.2 水面回波信號位置提取 185
6.2.3 氣-水界面探測試驗 187
6.3 水深信號峰值位置提取方法 192
6.3.1 基于高斯-指數卷積擬合的陸地峰值位置提取 192
6.3.2 基于半高斯擬合的海表回波峰值位置提取 196
6.3.3 基于去卷積的近岸波形峰值位置提取 199
6.3.4 基于分布擬合的淺水波形峰值位置提取 199
6.3.5 基于多項式擬合的深水波形峰值位置提取 201
6.4 南海測區機載激光雷達測深試驗 205
6.4.1 機載激光雷達三維點云計算 205
6.4.2 機載激光雷達測深結果 210
第7章海洋激光雷達信號數值仿真技術 217
7.1 海洋激光雷達信號仿真模型 217
7.1.1 水面回波信號 217
7.1.2 水體回波信號 218
7.1.3 水底回波信號 218
7.1.4 噪聲信號 219
7.1.5 仿真結果 219
7.2 半解析蒙特卡羅仿真模型 222
7.2.1 理論與模型 223
7.2.2 水質參數的影響 225
7.2.3 視場角損失的影響 230
7.2.4 散射相函數的影響 231
7.2.5 水體層化的影響 235
7.2.6 多次散射的影響 237
7.2.7 偏振激光的仿真模擬 238
7.3 基于準單次散射小角度近似的多次散射解析模型 243
7.3.1 解析法原理 244
7.3.2 傾斜入射情況下的解析法 245
第8章星載海洋激光雷達系統設計 247
8.1 天基海洋激光雷達國內外研究進展 247
8.1.1 云-氣溶膠偏振激光雷達 247
8.1.2 先進地形激光測高系統 248
8.1.3 高分七號激光測高儀 250
8.1.4 國內外天基海洋探測計劃 252
8.2 天基海洋激光雷達系統設計 253
8.2.1 總體方案設計 253
8.2.2 分模塊方案設計 255
8.2.3 星上定標方案 263
8.2.4 衛星平臺接口設計 264
8.3 星載海洋激光雷達系統指標論證 268
8.3.1 星載海洋激光雷達應用需求指標 269
8.3.2 星載海洋激光雷達關鍵指標論證分析 271
8.3.3 星載海洋激光雷達探測深度分析 281
8.3.4 真光層探測能力分析 284
8.3.5 太陽夫瑯禾費線對激光雷達回波信號信噪比的提升 287
8.4 關鍵技術與可行性分析 290
8.4.1 窄脈沖激光脈沖產生及光頻轉換技術 290
8.4.2 大動態回波信號高靈敏度探測技術 291
8.4.3 干涉式高光譜分辨率分光技術 291
8.4.4 激光雷達在軌收發配準技術 291
8.4.5 激光波束高精度指向定位技術 291
8.4.6 天基大口徑望遠鏡技術 292
8.4.7 三波長窄線寬激光器光束質量控制技術 293
8.4.8 氣海一體高光譜分辨率濾波器技術 296
8.4.9 模擬與光子計數復合探測技術 297
參考文獻 300
第1章緒論 1
1.1 概述 1
1.1.1 海洋激光雷達探測原理 2
1.1.2 海洋激光雷達探測發展歷程 4
1.2 激光在大氣中的傳輸特性 7
1.2.1 大氣吸收 7
1.2.2 大氣散射 8
1.2.3 大氣湍流 8
1.3 激光在氣-水界面的傳輸特性 8
1.3.1 激光在靜止海面的傳輸 8
1.3.2 激光在粗糙海面的傳輸 9
1.4 激光在海水中的傳輸特性 9
1.4.1 海水的光學參數 10
1.4.2 激光在海水中的衰減特性 11
1.4.3 激光在海水中的吸收特性 11
1.4.4 激光在海水中的散射特性 12
1.5 海洋激光雷達的應用領域 15
1.5.1 水體次表層 15
1.5.2 海水光學性質 15
1.5.3 淺海測深 16
1.5.4 海面高度 17
1.5.5 海面風速 18
1.5.6 大洋漁業 19
1.5.7 海洋動力過程 19
1.5.8 海洋環境探測 19
第2章船載海洋激光雷達系統 22
2.1 多探測體制激光雷達 22
2.1.1 彈性散射海洋激光雷達 22
2.1.2 布里淵散射海洋激光雷達 30
2.2 線性探測海洋激光雷達 33
2.2.1 總體方案設計 33
2.2.2 發射系統 35
2.2.3 接收系統 36
2.2.4 信號采集和處理 37
2.3 光子計數海洋激光雷達 38
2.3.1 總體方案設計 38
2.3.2 發射光學系統 39
2.3.3 接收光學系統 41
2.3.4 數據采集系統 42
2.4 變視場水下海洋激光雷達 43
2.4.1 總體方案設計 43
2.4.2 激光器 44
2.4.3 發射接收光學系統 44
2.4.4 總控模塊 45
2.5 高光譜分辨率海洋激光雷達 46
2.5.1 基本原理與結構 46
2.5.2 激光器 47
2.5.3 光譜鑒頻器 50
2.6 船載綜合試驗 51
2.6.1 海上固定平臺試驗 51
2.6.2 千島湖船載試驗 52
2.6.3 海上船測試驗 56
第3章機載海洋激光雷達系統 65
3.1 總體方案與技術指標 65
3.2 激光器模塊和掃描模塊 67
3.2.1 激光器模塊 67
3.2.2 掃描模塊 69
3.3 收發光路和探測模塊 70
3.3.1 收發光路 70
3.3.2 探測模塊 71
3.4 高速采集和控制模塊 73
3.4.1 硬件總體框架 73
3.4.2 高速ADC采集 73
3.4.3 千兆網絡接口 74
3.4.4 SATA 接口 75
3.5 機載激光-船載實測同步驗證試驗 76
3.5.1 南海機載激光雷達飛行試驗 76
3.5.2 南海機載激光雷達與高光譜飛行試驗 78
3.5.3 南海機載/船載海洋激光雷達試驗 79
3.5.4 南海機載激光雷達試驗及船載同步驗證 81
3.5.5 南海無人機載激光雷達飛行試驗 82
第4章海洋激光誘導熒光雷達遙感技術 84
4.1 激光誘導熒光海洋探測技術 84
4.1.1 激光誘導熒光探測原理 85
4.1.2 激光誘導熒光探測系統設計 87
4.1.3 共線聚焦式激光誘導熒光探測系統 94
4.1.4 正交式激光誘導熒光探測系統 96
4.2 激光誘導熒光測量海洋水色參數方法 98
4.2.1 概述 98
4.2.2 反演模型 100
4.2.3 近海實測數據采集 105
4.2.4 實測數據及測量方法 105
4.2.5 實驗結果和分析 107
4.3 激光誘導熒光區分赤潮藻種類技術 114
4.3.1 概述 114
4.3.2 海洋藻類水體熒光特性分析 114
4.3.3 8 種赤潮藻區分識別實驗 122
第5章海洋激光雷達光學剖面及次表層探測方法 128
5.1 數據預處理 128
5.1.1 背景噪聲去除 128
5.1.2 回波信號去卷積 130
5.1.3 距離校正 131
5.1.4 幾何因子校正 132
5.1.5 激光雷達常數確定 132
5.2 光學剖面反演方法 133
5.2.1 傳統反演方法 133
5.2.2 基于生物光學模型的迭代反演方法 142
5.2.3 混合反演方法及試驗結果 146
5.3 次表層浮游植物探測方法 151
5.3.1 海洋次表層葉綠素*大值層分析 152
5.3.2 次表層浮游植物散射層探測方法 153
5.3.3 南海三亞灣次表層探測試驗 155
5.3.4 千島湖次表層探測試驗 158
第6章海洋激光雷達淺海水深探測方法 162
6.1 回波信號分類方法 162
6.1.1 基于支持向量機的海陸波形分類模型構建 162
6.1.2 海陸波形分類結果與分析 165
6.1.3 基于頻譜域的海洋激光雷達水體波形分類 170
6.2 氣-水界面探測方法 172
6.2.1 氣-水界面的激光雷達能量分布 172
6.2.2 水面回波信號位置提取 185
6.2.3 氣-水界面探測試驗 187
6.3 水深信號峰值位置提取方法 192
6.3.1 基于高斯-指數卷積擬合的陸地峰值位置提取 192
6.3.2 基于半高斯擬合的海表回波峰值位置提取 196
6.3.3 基于去卷積的近岸波形峰值位置提取 199
6.3.4 基于分布擬合的淺水波形峰值位置提取 199
6.3.5 基于多項式擬合的深水波形峰值位置提取 201
6.4 南海測區機載激光雷達測深試驗 205
6.4.1 機載激光雷達三維點云計算 205
6.4.2 機載激光雷達測深結果 210
第7章海洋激光雷達信號數值仿真技術 217
7.1 海洋激光雷達信號仿真模型 217
7.1.1 水面回波信號 217
7.1.2 水體回波信號 218
7.1.3 水底回波信號 218
7.1.4 噪聲信號 219
7.1.5 仿真結果 219
7.2 半解析蒙特卡羅仿真模型 222
7.2.1 理論與模型 223
7.2.2 水質參數的影響 225
7.2.3 視場角損失的影響 230
7.2.4 散射相函數的影響 231
7.2.5 水體層化的影響 235
7.2.6 多次散射的影響 237
7.2.7 偏振激光的仿真模擬 238
7.3 基于準單次散射小角度近似的多次散射解析模型 243
7.3.1 解析法原理 244
7.3.2 傾斜入射情況下的解析法 245
第8章星載海洋激光雷達系統設計 247
8.1 天基海洋激光雷達國內外研究進展 247
8.1.1 云-氣溶膠偏振激光雷達 247
8.1.2 先進地形激光測高系統 248
8.1.3 高分七號激光測高儀 250
8.1.4 國內外天基海洋探測計劃 252
8.2 天基海洋激光雷達系統設計 253
8.2.1 總體方案設計 253
8.2.2 分模塊方案設計 255
8.2.3 星上定標方案 263
8.2.4 衛星平臺接口設計 264
8.3 星載海洋激光雷達系統指標論證 268
8.3.1 星載海洋激光雷達應用需求指標 269
8.3.2 星載海洋激光雷達關鍵指標論證分析 271
8.3.3 星載海洋激光雷達探測深度分析 281
8.3.4 真光層探測能力分析 284
8.3.5 太陽夫瑯禾費線對激光雷達回波信號信噪比的提升 287
8.4 關鍵技術與可行性分析 290
8.4.1 窄脈沖激光脈沖產生及光頻轉換技術 290
8.4.2 大動態回波信號高靈敏度探測技術 291
8.4.3 干涉式高光譜分辨率分光技術 291
8.4.4 激光雷達在軌收發配準技術 291
8.4.5 激光波束高精度指向定位技術 291
8.4.6 天基大口徑望遠鏡技術 292
8.4.7 三波長窄線寬激光器光束質量控制技術 293
8.4.8 氣海一體高光譜分辨率濾波器技術 296
8.4.9 模擬與光子計數復合探測技術 297
參考文獻 300
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海洋激光雷達探測技術 節選
**章緒論 1.1 概述 海洋約占地球表面的71%，是社會經濟發展的重要戰略空間，是研究地球科學和氣候變化的重要組成部分，在全球社會經濟發展和生態環境保護中的地位和作用十分突出。此外，海洋也為人類提供了豐富的礦業資源、漁業資源等。發展新型的探測手段來強化海洋觀測能力，對“關心海洋、認識海洋、經略海洋”，以及對我國海洋強國建設等都具有重大而深遠的意義。 海洋水色遙感技術的出現提供了一種新的海洋研究手段，極大地拓展了人們對全球海洋生物多樣性、海洋生態系統和生物地球化學功能等方面的認識。**代水色遙感探測器海岸帶水色掃描儀（coastal zone color scanner，CZCS）于1978 年成功發射，標志著衛星水色遙感技術的正式起步。20 世紀90 年代，海洋觀測寬視場傳感器（sea-viewing wide field-of-view sensor，SeaWiFS ）和中等分辨率成像光譜儀（moderate resolution imaging spectroradiometer，MODIS）等成功發射顯著提升了衛星傳感器輻射探測性能，圍繞這些傳感器的一系列遙感反演算法提高了遙感產品的質量，遙感資料的廣泛應用推動了水色遙感技術進入業務化階段。2010年，地球靜止軌道水色圖像儀（geostationary ocean color imager，GOCI）的成功發射，標志著海洋水色遙感從日觀測周期進入小時周期動態觀測的發展階段。我國海洋遙感初步形成的衛星觀測體系，包括海洋水色衛星“海洋一號”（HY-1）、海洋動力環境衛星“海洋二號”（HY-2）和海洋監視監測衛星“海洋三號”（HY-3）三大系列。于2002年5月15日成功發射的海洋水色衛星HY-1A和2007年4月11日發射的HY-1B都屬于試驗型衛星。HY-1A的成功發射，實現了我國在海洋衛星領域零的突破，標志著我國進入空間遙感海洋觀測時代。2018年9月7日發射的HY-1C衛星和2020年6月1日發射的HY-1D衛星在觀測精度、觀測范圍等方面均有大幅提升，標志著我國海洋水色衛星進入業務化運行階段。分別于2011年起先后發射的海洋動力環境系列衛星HY-2A、HY-2B、HY-2C、HY-2D和中法海洋衛星，為海洋動力學研究提供了重要數據支撐。為了滿足海洋目標監測、陸地資源監測等多種業務需求，海洋監視監測衛星搭載了合成孔徑雷達等載荷。 衛星海洋遙感可以實現大面積的同步觀測，能夠滿足長時間序列動態觀測的需求[1]，為海洋研究提供了包含眾多的海洋環境參數信息的數據庫。截至2019年，統計數據顯示衛星遙感已經貢獻了一半的海洋觀測數據，但對海洋剖面數據的貢獻為零[2]，這是由于衛星遙感受固有原理性限制而無法獲取海洋垂直光學特性參數信息。受太陽光光源的限制，無法對夜間和高緯度地區進行探測，進一步限制了衛星海洋遙感的應用范圍，給海洋研究帶來了極大不便。激光雷達通過發射激光脈沖進入介質內部，從而獲取介質的光學特性垂直廓線，不僅可以用于大氣云和氣溶膠廓線的探測，還可以用于水下浮游植物層、海洋內波、魚群等的探測。激光雷達探測技術具有較高的時空分辨率、對觀測條件依賴性低、從水面到水下近50m深度范圍內的廓線探測能力，以及幾乎不受大氣和太陽光照的影響等優點，結合水色遙感可以實現海洋表層水體三維探測的目的。 海洋激光雷達將成為實現海洋剖面“三維探測”的重要技術手段[3]，實現對海洋各種復雜環境參數的垂向測量。利用激光雷達進行海洋探測具有以下優勢：①不依賴太陽輻射，不受太陽高度角的限制，可以實現全天候工作，與水色遙感結合可開展主被動融合技術研究；②可根據探測需要和科學研究應用范圍選擇合適的受激波長、發射方式及搭載平臺，實現對目標物的無干擾探測；③探測能力可以觸及海洋混合層，獲取海洋次表層的光學性質，進而揭示海洋溫躍層結構及其他海洋動力學過程[4-7]；④可以直接探測海洋生物信號，結合真光層中浮游生物的間接信息，能夠推動海洋生態系統特征和規律的研究[8-10]。 1.1.1 海洋激光雷達探測原理 激光雷達信號探測機理是數據處理的基礎，準確地描述激光雷達信號有助于從復雜的原始回波信號中提取有效的光學信息。因為海水的光學致密性，激光束在海水中的傳播過程中經歷了多次散射，導致原始回波信號中包含了復雜的多次散射信息，所以難以用單次散射方程來描述。由于產生信號的光子主要經歷了多次前向散射和單次后向散射，在準單次散射近似條件下，回波信號仍然可以用激光雷達方程的簡單形式來描述，可表示為 （1.1） 式中：P0為發射激光脈沖的平均功率；Ta為大氣的單程透射率；TS為水面的單程透射率；TO為望遠鏡的光學效率；η為探測器的光電轉換效率；為激光雷達系統的重疊因子；v為真空中的光速；τ為激光脈沖時間寬度；n為水體折射率；A為望遠鏡的接收面積；H為激光雷達的工作高度；z為探測的海水深度；βπ和α分別為水體的180°體散射系數和激光雷達衰減系數。 激光脈沖在進入水體之前，需要穿過大氣和氣-水界面，因而需要把雙程大氣透射率Ta2和雙程水面透射率TS2考慮在內。當天氣晴朗干凈時，Ta通常可認為是1，特別是對于工作高度較低的船載和低空機載激光雷達[11]；而當激光傳播路徑上有嚴重霧霾或厚云時，則需要考慮Ta的定標，由于厚云的遮擋，激光雷達可能無法進行探測。對工作高度較高的高空機載[12]和星載激光雷達[13]來說，需要考慮大氣透射率。在激光垂直入射平靜水面時，菲涅耳反射率約為2%，由水面反射導致的能量損失約為4%；當入射角小于60°時，菲涅耳反射率小于5%，這意味著大部分情況下，水面對激光能量的衰減是很弱的。激光雷達系統的整體效率需考慮TO、η和Oz的影響，與收發光學系統的光學設計和接收鏡頭表面鍍膜等相關，而η與光電探測器的種類和陰極材料等相關，描述回波信號與接收器之間的耦合效率隨距離變化的關系[14]。在一個光軸與接收系統平行的出光系統中，隨著距離的增加，重疊因子將從0 增加到1，隨后保持在1 不變。重疊因子對激光雷達信號具有調制作用，但可以通過水平系統定標來進行校正[15]。在系統接收視場角較大的情況下，重疊因子僅對近場的大氣信號有一定影響，而對水體信號幾乎沒有影響。 如圖1.1 所示，激光具有一定的脈沖寬度，從激光器出射后，經過時間t后的激光雷達信號可認為是在一定厚度H內的水體對激光的后向散射。該水體始于激光脈沖上升沿到達的距離z1 =vt/2n，底部為激光脈沖下降沿所到達的距離z2 =vt( .τ)/2 n，水體厚度 圖1.1 中的參數A/(nH+z)2 為深度z時的激光雷達接收立體角，增加望遠鏡面積或者減小激光雷達工作高度都能有效增強信號強度。該參數在工作高度較高時，深度的影響基本可以忽略；而在工作高度較低時，信號對深度的依賴性將導致淺水和深水信號之間存在巨大差異，從而需要一個具有大動態范圍的接收器。 參數βπ和α是激光雷達方程中*重要的光學參數，這兩個參數與水體特性息息相關，也是激光雷達方程中需要求解的兩個未知量，如何快速準確地求解這兩個未知量也是海洋激光雷達研究的熱點問題。βπ與水體后向散射相關，直接決定了激光雷達回波信號的強度。在海水中，激光主要被水分子和水體懸浮物散射，βπ可表示為二者之和： （1.2） 式中：βmπ和βsπ分別為水分子和水體懸浮物散射。分子散射主要包括水分子布里淵散射、瑞利散射和拉曼散射，其中瑞利散射前后波長不會發生改變，布里淵散射會導致散射光發生輕微的頻移，而拉曼散射則會導致波長發生明顯的改變[16]。因為水分子散射中的布里淵散射和瑞利散射的散射特性相近，彈性后向散射激光雷達無法在光譜上將二者區分開來，所以本章將兩者統一稱為水分子散射。水體懸浮物產生的散射主要來自浮游植物和碎屑等物質。 參數.表示雙程傳輸過程中激光在水體中的能量損失，其變化遵守朗伯-比爾定律。在海水中，激光衰減主要是由水分子和水體懸浮物導致的，α可以表示為二者之和： （1.3） 式中：αm為水分子導致的衰減；αs為水體中的懸浮物導致的衰減，包括浮游植物、黃色物質和碎屑等。參數α受激光在水體內部的多次散射過程影響，由水體光學特性和激光雷達參數共同決定。文獻[17]給出了一種判斷α數值和水體光學參數關系的方法，該方法以激光雷達接收器在海面上的接收投影半徑R和光子平均自由程1/c之間的關系為參考，其中c為水體衰減系數。 1.1.2 海洋激光雷達探測發展歷程 自1968 年**臺激光雷達海水測深系統問世以來，世界各國開展了各種海洋激光雷達的相關研究，美國、澳大利亞、加拿大和瑞典等國在一定程度上代表了海洋激光雷達的發展水平和方向。隨著高性能激光器、高速處理器及高精度定位技術的發展，海洋激光雷達逐步向實用化和小型化方向發展。 20 世紀60～70年代是海洋激光雷達探測的初始階段，這一階段主要以測深系統的發展為主。1968年，Hickman等[18]研制出了世界上**臺藍綠激光測深系統，驗證了激光雷達探測水下的可行性。1971年，美國海軍成功研發了脈沖光機載測深儀（pulsed light airborne depth sounder，PLADS ）系統并應用于實測。美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）對PLADS 系統進行了改進，研制出機載激光雷達測深（airborne LiDAR bathymtery，ALB）系統[19]，在海水透明度盤為5 m 的水域進行了實驗，可測深度為10 m 左右。隨后，NASA 又研發了一套具有高速掃描和數據記錄功能的機載海洋激光雷達（airborne oceanographic LiDAR，AOL），對淺海區的海底地貌進行了繪制[20]。 1972～1976 年，澳大利亞皇家海軍研制了武器研究機載激光測深儀（weapons research establishments laser airborne depth sounder-I，WRELADS-I）系統[21] ，在平均海水衰減系數為0.23 m-1 和0.1 m-1 的海域中的探測深度分別為30 m 和40 m 。在WRELADS-I 基礎上增加了掃描、數據記錄和定位功能，研制出了WRELADS-II ，*大探測深度可達72 m ，探測精度為0.3 m[22] 。 加拿大遙感中心（Canada Center for Remote Sensing，CCRS）在20 世紀70 年代末研制了機載激光雷達測深系統MK-1 和MK-2。MK-1 和MK-2 系統使用的光源是低功率的氦氖激光器，MK-2 系統無掃描功能。瑞典國防研究院研制了水光學傳感器系統（hydro-optical sensor system，HOSS ）和水文機載激光測深儀（FOA laser airborne sounder for hydrography，FLASH）系統[23-25]，FLASH 系統可發射綠光和紅外光，進行正常飛行掃描和懸停掃描，對深度進行彩色編碼顯示，利用拉曼散射光探測到海表的反射信號，解決了海霧造成的紅外探測器提前觸發的問題。 20世紀80年代是海洋激光雷達探測的發展階段，GPS定位技術的成熟使得機載雷達剖面探測產生了實際的應用價值。1985年加拿大的OPTECH公司開發了機載激光水文勘測系統LAESEN-500，采樣頻率為500 MHz，采用綠光和紅外光共線橢圓掃描，可探測深度為1.5～40 m[26]。美國改進了SHOALS系統[27]，開發了實驗激光測深系統EAARL。 21世紀之后，隨著光電技術和激光技術的不斷發展，特別是短脈沖大功率激光器的出現，機載海洋激光雷達逐步進入實用化階段，開始向輕便靈活的小型化方向發
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