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海洋激光雷达探测技术 版权信息
- ISBN：9787030732439
- 条形码：9787030732439 ; 978-7-03-073243-9
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
海洋激光雷达探测技术 内容简介
本书介绍海洋激光遥感理论和方法，系统论述海洋激光雷达的探测原理、辐射传输理论、数据处理方法和模拟仿真技术，在船载和机载海洋激光雷达系统研制和试验基础上，论证我国星载海洋激光雷达系统技术方案。全书共8章，包括绪论、船载海洋激光雷达系统、机载海洋激光雷达系统、海洋激光诱导荧光雷达遥感技术、海洋激光雷达光学剖面及次表层探测方法、海洋激光雷达浅海水深探测方法、海洋激光雷达信号数值仿真技术、星载海洋激光雷达系统设计。
海洋激光雷达探测技术 目录
目录
第1章绪论 1
1.1 概述 1
1.1.1 海洋激光雷达探测原理 2
1.1.2 海洋激光雷达探测发展历程 4
1.2 激光在大气中的传输特性 7
1.2.1 大气吸收 7
1.2.2 大气散射 8
1.2.3 大气湍流 8
1.3 激光在气-水界面的传输特性 8
1.3.1 激光在静止海面的传输 8
1.3.2 激光在粗糙海面的传输 9
1.4 激光在海水中的传输特性 9
1.4.1 海水的光学参数 10
1.4.2 激光在海水中的衰减特性 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 海洋激光雷达的应用领域 15
1.5.1 水体次表层 15
1.5.2 海水光学性质 15
1.5.3 浅海测深 16
1.5.4 海面高度 17
1.5.5 海面风速 18
1.5.6 大洋渔业 19
1.5.7 海洋动力过程 19
1.5.8 海洋环境探测 19
第2章船载海洋激光雷达系统 22
2.1 多探测体制激光雷达 22
2.1.1 弹性散射海洋激光雷达 22
2.1.2 布里渊散射海洋激光雷达 30
2.2 线性探测海洋激光雷达 33
2.2.1 总体方案设计 33
2.2.2 发射系统 35
2.2.3 接收系统 36
2.2.4 信号采集和处理 37
2.3 光子计数海洋激光雷达 38
2.3.1 总体方案设计 38
2.3.2 发射光学系统 39
2.3.3 接收光学系统 41
2.3.4 数据采集系统 42
2.4 变视场水下海洋激光雷达 43
2.4.1 总体方案设计 43
2.4.2 激光器 44
2.4.3 发射接收光学系统 44
2.4.4 总控模块 45
2.5 高光谱分辨率海洋激光雷达 46
2.5.1 基本原理与结构 46
2.5.2 激光器 47
2.5.3 光谱鉴频器 50
2.6 船载综合试验 51
2.6.1 海上固定平台试验 51
2.6.2 千岛湖船载试验 52
2.6.3 海上船测试验 56
第3章机载海洋激光雷达系统 65
3.1 总体方案与技术指标 65
3.2 激光器模块和扫描模块 67
3.2.1 激光器模块 67
3.2.2 扫描模块 69
3.3 收发光路和探测模块 70
3.3.1 收发光路 70
3.3.2 探测模块 71
3.4 高速采集和控制模块 73
3.4.1 硬件总体框架 73
3.4.2 高速ADC采集 73
3.4.3 千兆网络接口 74
3.4.4 SATA 接口 75
3.5 机载激光-船载实测同步验证试验 76
3.5.1 南海机载激光雷达飞行试验 76
3.5.2 南海机载激光雷达与高光谱飞行试验 78
3.5.3 南海机载/船载海洋激光雷达试验 79
3.5.4 南海机载激光雷达试验及船载同步验证 81
3.5.5 南海无人机载激光雷达飞行试验 82
第4章海洋激光诱导荧光雷达遥感技术 84
4.1 激光诱导荧光海洋探测技术 84
4.1.1 激光诱导荧光探测原理 85
4.1.2 激光诱导荧光探测系统设计 87
4.1.3 共线聚焦式激光诱导荧光探测系统 94
4.1.4 正交式激光诱导荧光探测系统 96
4.2 激光诱导荧光测量海洋水色参数方法 98
4.2.1 概述 98
4.2.2 反演模型 100
4.2.3 近海实测数据采集 105
4.2.4 实测数据及测量方法 105
4.2.5 实验结果和分析 107
4.3 激光诱导荧光区分赤潮藻种类技术 114
4.3.1 概述 114
4.3.2 海洋藻类水体荧光特性分析 114
4.3.3 8 种赤潮藻区分识别实验 122
第5章海洋激光雷达光学剖面及次表层探测方法 128
5.1 数据预处理 128
5.1.1 背景噪声去除 128
5.1.2 回波信号去卷积 130
5.1.3 距离校正 131
5.1.4 几何因子校正 132
5.1.5 激光雷达常数确定 132
5.2 光学剖面反演方法 133
5.2.1 传统反演方法 133
5.2.2 基于生物光学模型的迭代反演方法 142
5.2.3 混合反演方法及试验结果 146
5.3 次表层浮游植物探测方法 151
5.3.1 海洋次表层叶绿素*大值层分析 152
5.3.2 次表层浮游植物散射层探测方法 153
5.3.3 南海三亚湾次表层探测试验 155
5.3.4 千岛湖次表层探测试验 158
第6章海洋激光雷达浅海水深探测方法 162
6.1 回波信号分类方法 162
6.1.1 基于支持向量机的海陆波形分类模型构建 162
6.1.2 海陆波形分类结果与分析 165
6.1.3 基于频谱域的海洋激光雷达水体波形分类 170
6.2 气-水界面探测方法 172
6.2.1 气-水界面的激光雷达能量分布 172
6.2.2 水面回波信号位置提取 185
6.2.3 气-水界面探测试验 187
6.3 水深信号峰值位置提取方法 192
6.3.1 基于高斯-指数卷积拟合的陆地峰值位置提取 192
6.3.2 基于半高斯拟合的海表回波峰值位置提取 196
6.3.3 基于去卷积的近岸波形峰值位置提取 199
6.3.4 基于分布拟合的浅水波形峰值位置提取 199
6.3.5 基于多项式拟合的深水波形峰值位置提取 201
6.4 南海测区机载激光雷达测深试验 205
6.4.1 机载激光雷达三维点云计算 205
6.4.2 机载激光雷达测深结果 210
第7章海洋激光雷达信号数值仿真技术 217
7.1 海洋激光雷达信号仿真模型 217
7.1.1 水面回波信号 217
7.1.2 水体回波信号 218
7.1.3 水底回波信号 218
7.1.4 噪声信号 219
7.1.5 仿真结果 219
7.2 半解析蒙特卡罗仿真模型 222
7.2.1 理论与模型 223
7.2.2 水质参数的影响 225
7.2.3 视场角损失的影响 230
7.2.4 散射相函数的影响 231
7.2.5 水体层化的影响 235
7.2.6 多次散射的影响 237
7.2.7 偏振激光的仿真模拟 238
7.3 基于准单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 倾斜入射情况下的解析法 245
第8章星载海洋激光雷达系统设计 247
8.1 天基海洋激光雷达国内外研究进展 247
8.1.1 云-气溶胶偏振激光雷达 247
8.1.2 先进地形激光测高系统 248
8.1.3 高分七号激光测高仪 250
8.1.4 国内外天基海洋探测计划 252
8.2 天基海洋激光雷达系统设计 253
8.2.1 总体方案设计 253
8.2.2 分模块方案设计 255
8.2.3 星上定标方案 263
8.2.4 卫星平台接口设计 264
8.3 星载海洋激光雷达系统指标论证 268
8.3.1 星载海洋激光雷达应用需求指标 269
8.3.2 星载海洋激光雷达关键指标论证分析 271
8.3.3 星载海洋激光雷达探测深度分析 281
8.3.4 真光层探测能力分析 284
8.3.5 太阳夫琅禾费线对激光雷达回波信号信噪比的提升 287
8.4 关键技术与可行性分析 290
8.4.1 窄脉冲激光脉冲产生及光频转换技术 290
8.4.2 大动态回波信号高灵敏度探测技术 291
8.4.3 干涉式高光谱分辨率分光技术 291
8.4.4 激光雷达在轨收发配准技术 291
8.4.5 激光波束高精度指向定位技术 291
8.4.6 天基大口径望远镜技术 292
8.4.7 三波长窄线宽激光器光束质量控制技术 293
8.4.8 气海一体高光谱分辨率滤波器技术 296
8.4.9 模拟与光子计数复合探测技术 297
参考文献 300
第1章绪论 1
1.1 概述 1
1.1.1 海洋激光雷达探测原理 2
1.1.2 海洋激光雷达探测发展历程 4
1.2 激光在大气中的传输特性 7
1.2.1 大气吸收 7
1.2.2 大气散射 8
1.2.3 大气湍流 8
1.3 激光在气-水界面的传输特性 8
1.3.1 激光在静止海面的传输 8
1.3.2 激光在粗糙海面的传输 9
1.4 激光在海水中的传输特性 9
1.4.1 海水的光学参数 10
1.4.2 激光在海水中的衰减特性 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 海洋激光雷达的应用领域 15
1.5.1 水体次表层 15
1.5.2 海水光学性质 15
1.5.3 浅海测深 16
1.5.4 海面高度 17
1.5.5 海面风速 18
1.5.6 大洋渔业 19
1.5.7 海洋动力过程 19
1.5.8 海洋环境探测 19
第2章船载海洋激光雷达系统 22
2.1 多探测体制激光雷达 22
2.1.1 弹性散射海洋激光雷达 22
2.1.2 布里渊散射海洋激光雷达 30
2.2 线性探测海洋激光雷达 33
2.2.1 总体方案设计 33
2.2.2 发射系统 35
2.2.3 接收系统 36
2.2.4 信号采集和处理 37
2.3 光子计数海洋激光雷达 38
2.3.1 总体方案设计 38
2.3.2 发射光学系统 39
2.3.3 接收光学系统 41
2.3.4 数据采集系统 42
2.4 变视场水下海洋激光雷达 43
2.4.1 总体方案设计 43
2.4.2 激光器 44
2.4.3 发射接收光学系统 44
2.4.4 总控模块 45
2.5 高光谱分辨率海洋激光雷达 46
2.5.1 基本原理与结构 46
2.5.2 激光器 47
2.5.3 光谱鉴频器 50
2.6 船载综合试验 51
2.6.1 海上固定平台试验 51
2.6.2 千岛湖船载试验 52
2.6.3 海上船测试验 56
第3章机载海洋激光雷达系统 65
3.1 总体方案与技术指标 65
3.2 激光器模块和扫描模块 67
3.2.1 激光器模块 67
3.2.2 扫描模块 69
3.3 收发光路和探测模块 70
3.3.1 收发光路 70
3.3.2 探测模块 71
3.4 高速采集和控制模块 73
3.4.1 硬件总体框架 73
3.4.2 高速ADC采集 73
3.4.3 千兆网络接口 74
3.4.4 SATA 接口 75
3.5 机载激光-船载实测同步验证试验 76
3.5.1 南海机载激光雷达飞行试验 76
3.5.2 南海机载激光雷达与高光谱飞行试验 78
3.5.3 南海机载/船载海洋激光雷达试验 79
3.5.4 南海机载激光雷达试验及船载同步验证 81
3.5.5 南海无人机载激光雷达飞行试验 82
第4章海洋激光诱导荧光雷达遥感技术 84
4.1 激光诱导荧光海洋探测技术 84
4.1.1 激光诱导荧光探测原理 85
4.1.2 激光诱导荧光探测系统设计 87
4.1.3 共线聚焦式激光诱导荧光探测系统 94
4.1.4 正交式激光诱导荧光探测系统 96
4.2 激光诱导荧光测量海洋水色参数方法 98
4.2.1 概述 98
4.2.2 反演模型 100
4.2.3 近海实测数据采集 105
4.2.4 实测数据及测量方法 105
4.2.5 实验结果和分析 107
4.3 激光诱导荧光区分赤潮藻种类技术 114
4.3.1 概述 114
4.3.2 海洋藻类水体荧光特性分析 114
4.3.3 8 种赤潮藻区分识别实验 122
第5章海洋激光雷达光学剖面及次表层探测方法 128
5.1 数据预处理 128
5.1.1 背景噪声去除 128
5.1.2 回波信号去卷积 130
5.1.3 距离校正 131
5.1.4 几何因子校正 132
5.1.5 激光雷达常数确定 132
5.2 光学剖面反演方法 133
5.2.1 传统反演方法 133
5.2.2 基于生物光学模型的迭代反演方法 142
5.2.3 混合反演方法及试验结果 146
5.3 次表层浮游植物探测方法 151
5.3.1 海洋次表层叶绿素*大值层分析 152
5.3.2 次表层浮游植物散射层探测方法 153
5.3.3 南海三亚湾次表层探测试验 155
5.3.4 千岛湖次表层探测试验 158
第6章海洋激光雷达浅海水深探测方法 162
6.1 回波信号分类方法 162
6.1.1 基于支持向量机的海陆波形分类模型构建 162
6.1.2 海陆波形分类结果与分析 165
6.1.3 基于频谱域的海洋激光雷达水体波形分类 170
6.2 气-水界面探测方法 172
6.2.1 气-水界面的激光雷达能量分布 172
6.2.2 水面回波信号位置提取 185
6.2.3 气-水界面探测试验 187
6.3 水深信号峰值位置提取方法 192
6.3.1 基于高斯-指数卷积拟合的陆地峰值位置提取 192
6.3.2 基于半高斯拟合的海表回波峰值位置提取 196
6.3.3 基于去卷积的近岸波形峰值位置提取 199
6.3.4 基于分布拟合的浅水波形峰值位置提取 199
6.3.5 基于多项式拟合的深水波形峰值位置提取 201
6.4 南海测区机载激光雷达测深试验 205
6.4.1 机载激光雷达三维点云计算 205
6.4.2 机载激光雷达测深结果 210
第7章海洋激光雷达信号数值仿真技术 217
7.1 海洋激光雷达信号仿真模型 217
7.1.1 水面回波信号 217
7.1.2 水体回波信号 218
7.1.3 水底回波信号 218
7.1.4 噪声信号 219
7.1.5 仿真结果 219
7.2 半解析蒙特卡罗仿真模型 222
7.2.1 理论与模型 223
7.2.2 水质参数的影响 225
7.2.3 视场角损失的影响 230
7.2.4 散射相函数的影响 231
7.2.5 水体层化的影响 235
7.2.6 多次散射的影响 237
7.2.7 偏振激光的仿真模拟 238
7.3 基于准单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 倾斜入射情况下的解析法 245
第8章星载海洋激光雷达系统设计 247
8.1 天基海洋激光雷达国内外研究进展 247
8.1.1 云-气溶胶偏振激光雷达 247
8.1.2 先进地形激光测高系统 248
8.1.3 高分七号激光测高仪 250
8.1.4 国内外天基海洋探测计划 252
8.2 天基海洋激光雷达系统设计 253
8.2.1 总体方案设计 253
8.2.2 分模块方案设计 255
8.2.3 星上定标方案 263
8.2.4 卫星平台接口设计 264
8.3 星载海洋激光雷达系统指标论证 268
8.3.1 星载海洋激光雷达应用需求指标 269
8.3.2 星载海洋激光雷达关键指标论证分析 271
8.3.3 星载海洋激光雷达探测深度分析 281
8.3.4 真光层探测能力分析 284
8.3.5 太阳夫琅禾费线对激光雷达回波信号信噪比的提升 287
8.4 关键技术与可行性分析 290
8.4.1 窄脉冲激光脉冲产生及光频转换技术 290
8.4.2 大动态回波信号高灵敏度探测技术 291
8.4.3 干涉式高光谱分辨率分光技术 291
8.4.4 激光雷达在轨收发配准技术 291
8.4.5 激光波束高精度指向定位技术 291
8.4.6 天基大口径望远镜技术 292
8.4.7 三波长窄线宽激光器光束质量控制技术 293
8.4.8 气海一体高光谱分辨率滤波器技术 296
8.4.9 模拟与光子计数复合探测技术 297
参考文献 300
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海洋激光雷达探测技术 节选
**章绪论 1.1 概述 海洋约占地球表面的71%，是社会经济发展的重要战略空间，是研究地球科学和气候变化的重要组成部分，在全球社会经济发展和生态环境保护中的地位和作用十分突出。此外，海洋也为人类提供了丰富的矿业资源、渔业资源等。发展新型的探测手段来强化海洋观测能力，对“关心海洋、认识海洋、经略海洋”，以及对我国海洋强国建设等都具有重大而深远的意义。 海洋水色遥感技术的出现提供了一种新的海洋研究手段，极大地拓展了人们对全球海洋生物多样性、海洋生态系统和生物地球化学功能等方面的认识。**代水色遥感探测器海岸带水色扫描仪（coastal zone color scanner，CZCS）于1978 年成功发射，标志着卫星水色遥感技术的正式起步。20 世纪90 年代，海洋观测宽视场传感器（sea-viewing wide field-of-view sensor，SeaWiFS ）和中等分辨率成像光谱仪（moderate resolution imaging spectroradiometer，MODIS）等成功发射显著提升了卫星传感器辐射探测性能，围绕这些传感器的一系列遥感反演算法提高了遥感产品的质量，遥感资料的广泛应用推动了水色遥感技术进入业务化阶段。2010年，地球静止轨道水色图像仪（geostationary ocean color imager，GOCI）的成功发射，标志着海洋水色遥感从日观测周期进入小时周期动态观测的发展阶段。我国海洋遥感初步形成的卫星观测体系，包括海洋水色卫星“海洋一号”（HY-1）、海洋动力环境卫星“海洋二号”（HY-2）和海洋监视监测卫星“海洋三号”（HY-3）三大系列。于2002年5月15日成功发射的海洋水色卫星HY-1A和2007年4月11日发射的HY-1B都属于试验型卫星。HY-1A的成功发射，实现了我国在海洋卫星领域零的突破，标志着我国进入空间遥感海洋观测时代。2018年9月7日发射的HY-1C卫星和2020年6月1日发射的HY-1D卫星在观测精度、观测范围等方面均有大幅提升，标志着我国海洋水色卫星进入业务化运行阶段。分别于2011年起先后发射的海洋动力环境系列卫星HY-2A、HY-2B、HY-2C、HY-2D和中法海洋卫星，为海洋动力学研究提供了重要数据支撑。为了满足海洋目标监测、陆地资源监测等多种业务需求，海洋监视监测卫星搭载了合成孔径雷达等载荷。 卫星海洋遥感可以实现大面积的同步观测，能够满足长时间序列动态观测的需求[1]，为海洋研究提供了包含众多的海洋环境参数信息的数据库。截至2019年，统计数据显示卫星遥感已经贡献了一半的海洋观测数据，但对海洋剖面数据的贡献为零[2]，这是由于卫星遥感受固有原理性限制而无法获取海洋垂直光学特性参数信息。受太阳光光源的限制，无法对夜间和高纬度地区进行探测，进一步限制了卫星海洋遥感的应用范围，给海洋研究带来了极大不便。激光雷达通过发射激光脉冲进入介质内部，从而获取介质的光学特性垂直廓线，不仅可以用于大气云和气溶胶廓线的探测，还可以用于水下浮游植物层、海洋内波、鱼群等的探测。激光雷达探测技术具有较高的时空分辨率、对观测条件依赖性低、从水面到水下近50m深度范围内的廓线探测能力，以及几乎不受大气和太阳光照的影响等优点，结合水色遥感可以实现海洋表层水体三维探测的目的。 海洋激光雷达将成为实现海洋剖面“三维探测”的重要技术手段[3]，实现对海洋各种复杂环境参数的垂向测量。利用激光雷达进行海洋探测具有以下优势：①不依赖太阳辐射，不受太阳高度角的限制，可以实现全天候工作，与水色遥感结合可开展主被动融合技术研究；②可根据探测需要和科学研究应用范围选择合适的受激波长、发射方式及搭载平台，实现对目标物的无干扰探测；③探测能力可以触及海洋混合层，获取海洋次表层的光学性质，进而揭示海洋温跃层结构及其他海洋动力学过程[4-7]；④可以直接探测海洋生物信号，结合真光层中浮游生物的间接信息，能够推动海洋生态系统特征和规律的研究[8-10]。 1.1.1 海洋激光雷达探测原理 激光雷达信号探测机理是数据处理的基础，准确地描述激光雷达信号有助于从复杂的原始回波信号中提取有效的光学信息。因为海水的光学致密性，激光束在海水中的传播过程中经历了多次散射，导致原始回波信号中包含了复杂的多次散射信息，所以难以用单次散射方程来描述。由于产生信号的光子主要经历了多次前向散射和单次后向散射，在准单次散射近似条件下，回波信号仍然可以用激光雷达方程的简单形式来描述，可表示为 （1.1） 式中：P0为发射激光脉冲的平均功率；Ta为大气的单程透射率；TS为水面的单程透射率；TO为望远镜的光学效率；η为探测器的光电转换效率；为激光雷达系统的重叠因子；v为真空中的光速；τ为激光脉冲时间宽度；n为水体折射率；A为望远镜的接收面积；H为激光雷达的工作高度；z为探测的海水深度；βπ和α分别为水体的180°体散射系数和激光雷达衰减系数。 激光脉冲在进入水体之前，需要穿过大气和气-水界面，因而需要把双程大气透射率Ta2和双程水面透射率TS2考虑在内。当天气晴朗干净时，Ta通常可认为是1，特别是对于工作高度较低的船载和低空机载激光雷达[11]；而当激光传播路径上有严重雾霾或厚云时，则需要考虑Ta的定标，由于厚云的遮挡，激光雷达可能无法进行探测。对工作高度较高的高空机载[12]和星载激光雷达[13]来说，需要考虑大气透射率。在激光垂直入射平静水面时，菲涅耳反射率约为2%，由水面反射导致的能量损失约为4%；当入射角小于60°时，菲涅耳反射率小于5%，这意味着大部分情况下，水面对激光能量的衰减是很弱的。激光雷达系统的整体效率需考虑TO、η和Oz的影响，与收发光学系统的光学设计和接收镜头表面镀膜等相关，而η与光电探测器的种类和阴极材料等相关，描述回波信号与接收器之间的耦合效率随距离变化的关系[14]。在一个光轴与接收系统平行的出光系统中，随着距离的增加，重叠因子将从0 增加到1，随后保持在1 不变。重叠因子对激光雷达信号具有调制作用，但可以通过水平系统定标来进行校正[15]。在系统接收视场角较大的情况下，重叠因子仅对近场的大气信号有一定影响，而对水体信号几乎没有影响。 如图1.1 所示，激光具有一定的脉冲宽度，从激光器出射后，经过时间t后的激光雷达信号可认为是在一定厚度H内的水体对激光的后向散射。该水体始于激光脉冲上升沿到达的距离z1 =vt/2n，底部为激光脉冲下降沿所到达的距离z2 =vt( .τ)/2 n，水体厚度 图1.1 中的参数A/(nH+z)2 为深度z时的激光雷达接收立体角，增加望远镜面积或者减小激光雷达工作高度都能有效增强信号强度。该参数在工作高度较高时，深度的影响基本可以忽略；而在工作高度较低时，信号对深度的依赖性将导致浅水和深水信号之间存在巨大差异，从而需要一个具有大动态范围的接收器。 参数βπ和α是激光雷达方程中*重要的光学参数，这两个参数与水体特性息息相关，也是激光雷达方程中需要求解的两个未知量，如何快速准确地求解这两个未知量也是海洋激光雷达研究的热点问题。βπ与水体后向散射相关，直接决定了激光雷达回波信号的强度。在海水中，激光主要被水分子和水体悬浮物散射，βπ可表示为二者之和： （1.2） 式中：βmπ和βsπ分别为水分子和水体悬浮物散射。分子散射主要包括水分子布里渊散射、瑞利散射和拉曼散射，其中瑞利散射前后波长不会发生改变，布里渊散射会导致散射光发生轻微的频移，而拉曼散射则会导致波长发生明显的改变[16]。因为水分子散射中的布里渊散射和瑞利散射的散射特性相近，弹性后向散射激光雷达无法在光谱上将二者区分开来，所以本章将两者统一称为水分子散射。水体悬浮物产生的散射主要来自浮游植物和碎屑等物质。 参数.表示双程传输过程中激光在水体中的能量损失，其变化遵守朗伯-比尔定律。在海水中，激光衰减主要是由水分子和水体悬浮物导致的，α可以表示为二者之和： （1.3） 式中：αm为水分子导致的衰减；αs为水体中的悬浮物导致的衰减，包括浮游植物、黄色物质和碎屑等。参数α受激光在水体内部的多次散射过程影响，由水体光学特性和激光雷达参数共同决定。文献[17]给出了一种判断α数值和水体光学参数关系的方法，该方法以激光雷达接收器在海面上的接收投影半径R和光子平均自由程1/c之间的关系为参考，其中c为水体衰减系数。 1.1.2 海洋激光雷达探测发展历程 自1968 年**台激光雷达海水测深系统问世以来，世界各国开展了各种海洋激光雷达的相关研究，美国、澳大利亚、加拿大和瑞典等国在一定程度上代表了海洋激光雷达的发展水平和方向。随着高性能激光器、高速处理器及高精度定位技术的发展，海洋激光雷达逐步向实用化和小型化方向发展。 20 世纪60～70年代是海洋激光雷达探测的初始阶段，这一阶段主要以测深系统的发展为主。1968年，Hickman等[18]研制出了世界上**台蓝绿激光测深系统，验证了激光雷达探测水下的可行性。1971年，美国海军成功研发了脉冲光机载测深仪（pulsed light airborne depth sounder，PLADS ）系统并应用于实测。美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）对PLADS 系统进行了改进，研制出机载激光雷达测深（airborne LiDAR bathymtery，ALB）系统[19]，在海水透明度盘为5 m 的水域进行了实验，可测深度为10 m 左右。随后，NASA 又研发了一套具有高速扫描和数据记录功能的机载海洋激光雷达（airborne oceanographic LiDAR，AOL），对浅海区的海底地貌进行了绘制[20]。 1972～1976 年，澳大利亚皇家海军研制了武器研究机载激光测深仪（weapons research establishments laser airborne depth sounder-I，WRELADS-I）系统[21] ，在平均海水衰减系数为0.23 m-1 和0.1 m-1 的海域中的探测深度分别为30 m 和40 m 。在WRELADS-I 基础上增加了扫描、数据记录和定位功能，研制出了WRELADS-II ，*大探测深度可达72 m ，探测精度为0.3 m[22] 。 加拿大遥感中心（Canada Center for Remote Sensing，CCRS）在20 世纪70 年代末研制了机载激光雷达测深系统MK-1 和MK-2。MK-1 和MK-2 系统使用的光源是低功率的氦氖激光器，MK-2 系统无扫描功能。瑞典国防研究院研制了水光学传感器系统（hydro-optical sensor system，HOSS ）和水文机载激光测深仪（FOA laser airborne sounder for hydrography，FLASH）系统[23-25]，FLASH 系统可发射绿光和红外光，进行正常飞行扫描和悬停扫描，对深度进行彩色编码显示，利用拉曼散射光探测到海表的反射信号，解决了海雾造成的红外探测器提前触发的问题。 20世纪80年代是海洋激光雷达探测的发展阶段，GPS定位技术的成熟使得机载雷达剖面探测产生了实际的应用价值。1985年加拿大的OPTECH公司开发了机载激光水文勘测系统LAESEN-500，采样频率为500 MHz，采用绿光和红外光共线椭圆扫描，可探测深度为1.5～40 m[26]。美国改进了SHOALS系统[27]，开发了实验激光测深系统EAARL。 21世纪之后，随着光电技术和激光技术的不断发展，特别是短脉冲大功率激光器的出现，机载海洋激光雷达逐步进入实用化阶段，开始向轻便灵活的小型化方向发
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