探测海洋浮游植物生物量和poc的激光雷达装置及方法
探测海洋浮游植物生物量和poc的激光雷达装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于海洋主动遥感探测领域，特别是设及一种探测海洋浮游植物生物量和 颗粒有机碳的激光雷达装置及方法。
【背景技术】
[0002] 海洋占据了地球71%的面积，其碳存量远超过陆地生态系统，因此海洋在全球碳 循环中起着重要的作用。随着经济的发展，人为碳排放量不断上升，大气中C〇2含量的增加 引起了全球气候变暖，不仅危害自然生态系统的平衡，还威胁人类的生存。海洋在C〇2的自 然循环中起到主导作用，研究海洋碳循环对于理解、预测、应对、甚至有效地控制气候变化 有巨大的帮助，能够帮助发达和发展中国家制定合适的政策减缓或抑制大气C〇2含量的增 加。同时，海洋中丰富的生物资源为区域经济发展作出了巨大贡献，不同海域的生物资源量 取决于海洋生态系统的生产力。海洋污染、洋流、溫度等因素都会影响海洋生态系统的生产 力，使浮游植物、浮游动物、鱼类等资源量发生变化。海洋碳循环是海洋中能量传递的主要 媒介，准确测量海洋碳循环的过程和强度对于评估海洋初级生产力、海洋鱼类资源等海洋 生态系统生产力参数有重要的参考价值。总之，海洋碳循环在全球碳循环和海洋生态系统 的研究中均发挥重要作用。
[0003] 生物累是海洋碳循环的主导过程之一，它通过浮游植物的光合作用将溶解在海水 中的C〇2固定为生物体中的有机碳，通过浮游生物的新陈代谢排放颗粒有机碳 (Particulate Organic Carbon,P0C)和溶解有机碳（Dissolved Organic &;rbon，D0C)。精 确分析生物累的过程和强度在海洋碳循环的研究中具有重要的参考价值。
[0004] 常规的海洋调查手段利用原位的直接采样结果进行生物累过程和强度的分析，其 劣势在于低效率、低时空分辨率。海洋被动遥感技术具有的大范围实时同步多波段成像的 技术优势，可W快速地探测海洋表面各参量的时空变化规律。但是，被动遥感的缺点是仅提 供面探测，无法进行垂直探测，并且被动遥感还受太阳福射的影响，无法在夜间和较低的太 阳高度角下正常工作，在白天也会受到大气散射的较大影响。激光雷达作为主动遥感器件， 不受太阳福射的影响，能够提供高分辨率的海洋深度信息，为海洋生物累组分的反演提供 了新的思路。值得注意的是，高光谱分辨率激光雷达利用鉴频器分离了水分子产生的布里 渊散射和水中颗粒物产生的米散射光谱，大大提高了海洋生物累组分的反演精度。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出了一种探测海洋浮游植物生 物量和P0C的激光雷达装置及方法。本发明基于高光谱分辨率激光雷达，结合海洋浮游植物 生物量和P0C反演算法，对浮游植物生物量和P0C进行实时的具有深度分辨率的高精度监 测。
[0006] 探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置，包括偏振高光谱分辨率 激光雷达系统。且所述的偏振高光谱分辨率激光雷达系统工作在倍频，包括发射系统、接收 系统、锁频系统、数据采集及处理系统;发射系统包括基频单纵模连续激光器、倍频单纵模 脉冲激光器、扩束器、光电探测器、分光镜、反射镜;接收系统包括望远镜、窄带滤波片、反射 镜、偏振分光棱镜、分光镜、两个倍频/基频二向色分光镜、干设鉴频器和Ξ个光电探测器； 锁频系统包括基频单纵模连续激光器、单模光纤、干设鉴频器、两个倍频/基频二向色分光 镜和光电探测器;基频单纵模连续激光器发出的连续光经倍频后在倍频单纵模脉冲激光器 中发生谐振，使倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光具有单模特性;脉冲光经扩束镜后由 分光镜分为两路，较弱透射光由光电探测器监视出射的光强变化，较强反射光在望远镜下 方经反射镜后射入海洋;望远镜收集海洋的回波信号后由窄带滤光片滤除背景光，经反光 镜导入分光系统；回波信号由偏振分光镜分为正交的两束偏振光，与出射激光偏振方向垂 直的一路信号由分光系统中的一个光电探测器接收，称为垂直混合通道;与出射激光偏振 方向平行的一路信号由分光器分为两束光，一束光由分光系统的另一个光电探测器接收， 称为平行混合通道;另一束光透过其中一个倍频/基频二向色分光镜后，经干设鉴频器滤除 海洋颗粒米散射信号，透过海洋布里渊分子散射信号，再透过另一个倍频/基频二向色分光 镜由分光系统的再一个光电探测器接收，称为平行分子通道;利用单模光纤将基频种子激 光器发射的连续光射向倍频/基频二向色分光镜，经倍频/基频二向色分光镜反射入干设鉴 频器，由另一个倍频/基频二向色分光镜反射被光电探测器接收，并反馈给干设鉴频器使其 锁定于倍频单纵模脉冲激光器;分光系统的Ξ个光电探测器得到的光信号由数据采集及处 理系统进行光电转换、采集和数字化，并将其进行海洋浮游植物生物量和POC的反演分析。
[0007]当系统为非偏振的高光谱分辨率激光雷达时，包括发射系统、接收系统、锁频系 统、数据采集及处理系统;发射系统包括基频单纵模连续激光器、倍频单纵模脉冲激光器、 扩束器、光电探测器、分光镜、反射镜;接收系统包括望远镜、窄带滤波片、反射镜、偏振分光 棱镜、分光镜、两个倍频/基频二向色分光镜、干设鉴频器和Ξ个光电探测器;锁频系统包括 基频单纵模连续激光器、单模光纤、干设鉴频器、两个倍频/基频二向色分光镜和光电探测 器;基频单纵模连续激光器发出的连续光经倍频后在倍频单纵模脉冲激光器中发生谐振， 使倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光具有单模特性;脉冲光经扩束镜后由分光镜分为两 路，较弱透射光由光电探测器监视出射的光强变化，较强反射光在望远镜下方经反射镜后 射入海洋;望远镜收集海洋的回波信号后由窄带滤光片滤除背景光，经反光镜导入分光系 统；回波信号由分光器分为两束光，一束光由分光系统的一个光电探测器接收，称为混合通 道;另一束光透过倍频/基频二向色分光镜后，经干设鉴频器滤除海洋颗粒米散射信号，透 过海洋布里渊分子散射信号，再透过倍频/基频二向色分光镜由分光系统的另一个光电探 测器接收，称为分子通道;利用单模光纤将基频种子激光器发射的连续光射向倍频/基频二 向色分光镜，经倍频/基频二向色分光镜反射入干设鉴频器，由倍频/基频二向色分光镜反 射被光电探测器接收，并反馈给干设鉴频器使其锁定于倍频单纵模脉冲激光器;分光系统 的两个光电探测器得到的光信号由数据采集及处理系统进行光电转换、采集和数字化，并 将其进行海洋浮游植物生物量和P0C的反演分析。
[000引所述的两个倍频/基频二向色分光镜和干设鉴频器为接收系统和锁频系统共用； 当系统的激光波长不存在基频和倍频的关系时，系统没有基频单纵模连续激光器，倍频/基 频二向色分光镜改为偏振分光棱镜，倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光的偏振方向经1/ 4波片旋转90°后引入锁频系统。
[0009] 所述的基频单纵模连续激光器和倍频单纵模脉冲激光器的激光频谱宽度不大于 150MHz，在P或S方向偏振;所述的基频单纵模连续激光器和倍频单纵模脉冲激光器的波长 根据海水浑浊度和反演算法的需要而改变，如采用l〇64nm单纵模连续和532nm单纵模脉冲 激光器，或者133 Inm单纵模连续和665.5nm单纵模脉冲Nd: GdCOB激光器。
[0010] 所述的分光镜的透反比（1-R1):R1很小，如0.5:99.5。
[0011] 所述的反射镜6和望远镜为决定船载激光雷达重叠因子的主要部件，满足船载激 光雷达重叠因子盲区不大于3米的条件；所述的望远镜为短焦望远镜，其接收角不小于 lOmrad，且具有一定范围的调节能力，如10~40mrad;当所述的反射镜6与望远镜为共轴时， 反射镜6的直径小于望远镜的1/2;当所述的反射镜6与望远镜为离轴时，反射镜6与望远镜 的间距尽量小，且倾斜反射镜6,使出射激光与望远镜的光轴夹角在平行方向上的分量接近 望远镜接收角的1 /2，且激光偏向望远镜一侧。
[0012] 当激光雷达为机载时，重叠因子的决定部件包括反射镜6和望远镜;所述的望远镜 为长焦大口径望远镜，其接收角较小，且具有一定范围的调节能力，如0.1~Imrad;所述的 反射镜6与望远镜处于离轴或共轴位置，使激光雷达的重叠因子在海洋中为1。
[0013] 所述的分光镜的透反比（1-R2):R2不是50:50，其透射率远大于反射率，如95:5。
[0014] 所述的干设鉴频器是具有高光谱分辨率的干设仪；当激光雷达为船载时，干设鉴 频器对入射光角度不敏感，如共焦化bry斗erot干设仪或视场展宽迈克尔逊干设仪；当激光 雷达为机载时，干设鉴频器选择化bry-化rot干设仪或视场展宽迈克尔逊干设仪;所述的干 设鉴频器的中屯、滤波波长与倍频单纵模脉冲激光器的出射脉冲光波长一致，干设鉴频器能 够滤除相对于出射脉冲光频谱不变的海洋颗粒米散射信号，透过发生布里渊频移的海洋布 里渊分子散射信号。
[0015] 探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置的反演方法，包括W下步 骤：
[ 0016] 步骤1、根据上述的偏振高光谱分辨率激光雷达系统的散射信号，反演海洋表观光 学参数:散射角为加寸的颗粒体积散射方程βρ和有效衰减系数Kd;由偏振高光谱分辨率激光 雷达系统望远镜收集的信号强度可W写为
[0017]
[001引其中，Po为脉冲能量，α为空气的消光系数，To和Ts分别为激光雷达系统和海水表面 的透射率，G为重叠因子，η为海水折射率，V为真空中的光速，τ0为脉冲宽度，Ar为望远镜有效 面积，Η为望远镜距离海面的距离，Z为光在水中传播的距离，βη为散射角为加寸的分子体积 散射方程;公式(1)可W被简化为
[0019] Β=(βιι+βρ) · θχρ(-2τ), (2)
[0020] 其中
光学 厚度
[0021] 被望远镜接收的信号进入偏振高光谱分辨率激光雷达系统的垂直混合通道、平行 混合通道和平行分子通道，公式(2)分别改写为
[0025] 其中，上标丄和□分别表示垂直和平行方向，Tm和Τρ分别为滤波器对分子和颗粒散 射光的透过率;根据公式(3)、（4)和(5)推导得到平行方向的颗粒体积散射方程
[0026]
(的
[0027] 其中，《"=戍/咸是分子后向散射消偏系数，Κ =公,?/巧；垂直方向的颗粒体积散射 方程为
[0028]
巧)
[0029] 其中，= S /β为总后向散射消偏系数;颗粒的体积散射方程表示为公式（6)与 (7)之和
[0033] 步骤2、根据散射角为31时的颗粒体积散射方程βρ和有效衰减系数Kd，反演海水的固 有光学参数:颗粒后向散射系数bbp和颗粒光束衰减系数Cp ;
[0034] 颗粒后向散射系数bbp与散射角为加寸的颗粒体积散射方程βρ的关系表示为
[0035] bbp = 23TXp(ji)0p, (10)
[0036] 其中，转换因子Χρ(π)由光束衰减系数估算
[0037] Xp(ji)=xic+X2, (11)
[0038] 其中，XI和X2为常系数，颗粒光束衰减系数Cp由光束衰减系数C去除水的光束衰减 系数Cw得到
[0039] cp = c-Cw, (12)
[0040] 其中，C能够由多次散射系数η表示 [0041 ] c=KdAl，(13)
[0042] 由于多次散射会导致退偏，多次散射系数表示为
[0043]
(14)
[0044] 其中，ω = (β"+βρ)/Κ3为总的散射消光比；
[0045] 步骤3、根据固有光学参数bbp和Cp反演生物累组分:浮游植物生物量和P0C;
[0046] 浮游植物生物量Cphyto分别由bbp和Cp表示如下：
[0047] Cphyto 二 ki(bbp-ks), (15)
[004引 Cpiyt0= 丫 i(Cp+丫 2). (16)
[0049] 颗粒有机碳POC分别由bbp和Cp表示如下
[0化2] 其中，ki、k2、丫 1、丫 2、h、l2、巧和耗为常系数。
[0053] 当步骤1所述的探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置为非偏振 的高光谱分辨率激光雷达时，具体步骤如下：
[0054] 步骤4、根据上述的非偏振高光谱分辨率激光雷达系统的散射信号，反演海洋表观 光学参数:散射角为加寸的颗粒体积散射方程βρ和有效衰减系数Kd;由非偏振高光谱分辨率 激光雷达望远镜收集的信号强度可W写为
[0化5]
[0056] 其中，Po为脉冲能量，α为空气的消光系数，Τ'日和Ts分别为激光雷达系统和海水表面 的透射率，G为重叠因子，η为海水折射率，V为真空中的光速，τ〇为脉冲宽度，Ar为望远镜有效 面积，Η为望远镜距离海面的距离，Z为光在水中传播的距离，βη为散射角为加寸的分子体积 散射方程;公式(19)可W被简化为，
[0057] Β=(βιι+βρ) · θχρ(-2τ), (20)
[0化引其中，Β=[[Ρ. (nH+z)2]]/(C.G)，常数
光学 厚度
[0059] 被望远镜接收的信号进入非偏振高光谱分辨率激光雷达系统的混合通道和分子 通道，公式(20)分别改写为
[0060] Bc=(0m+0p) · θχρ(-2τ), (21)
[0061] Βη=(?Μβη+Τρβρ) · exp(-2T)， (22)
[0062] 颗粒的体积散射方程表示为
[0066] 步骤5、根据散射角为31时的颗粒体积散射方程βρ和有效衰减系数Kd，反演海水的固 有光学参数:颗粒后向散射系数bbp和颗粒光束衰减系数Cp ;
[0067] 颗粒后向散射系数bbp与散射角为加寸的颗粒体积散射方程βρ的关系表示为
[006引 bbp = 2JTXp(>)0p，（化）
[0069] 其中，转换因子Xp(31)由光束衰减系数估算
[0070] Xp(ji)=xic+X2, (26)
[0071] 其中，Xi和X2为常系数，颗粒光束衰减系数Cp由光束衰减系数c去除水的光束衰减 系数Cw得到
[0072] cp = c-Cw, (27)
[0073] 其中，C的信息包含于有效衰减系数中
[0074] Kd = K'+k-K')e邱（-0.85CD)， (28)
[0075] 其中，K/为漫衰减系数，D为望远镜投影在海水上的视场大小。通过改变望远镜接 收角，C的大小能够由参数Kd-D的曲线拟合求出；在外海，光束衰减系数能够近似为C -Kd/ (1-ω )，其中，ω = (βη+βρ)/Κ<ι为总的散射消光比；
[0076] 步骤6、根据固有光学参数bbp和Cp反演生物累组分:浮游植物生物量和P0C;
[0077] 浮游植物生物量Cphyto分别由bbp和Cp表示如下：
[007引 Cphyto = kl(bbp-k2)，(29)
[0079] Cpiyt〇= 丫 i(Cp+丫 2). (30)
[0080] 颗粒有机碳P0C分别由bbp和Cp表示如下
[0083] 其中，ki、k2、丫 1、丫 2、h、l2、約和超为常系数。
[0084] 所述的海洋浮游植物生物量和P0C反演算法通过所述的步骤1、步骤2、步骤3或者 步骤4、步骤5、步骤6,利用激光雷达方程中的颗粒体积散射方程和有效衰减系数同步反演 浮游植物生物量和P0C。
[0085] 所述的海洋浮游植物生物量和P0C反演算法中的常系数是利用本发明所示的激光 雷达系统对相关水域进行实际测量后得到的。
[0086] 本发明的有益效果如下：
[0087] 本发明采用工作在倍频波段的高光谱分辨率激光雷达系统，配合海洋浮游植物生 物量和P0C反演算法，无需采样就可W对海洋中的海洋浮游植物生物量和P0C进行大范围高 深度分辨率的高精度测量。
【附图说明】
[008引图1为本发明结构示意图；
[0089] 图2为本发明中干设鉴频器工作原理示意图；
[0090] 图3为本发明海洋浮游植物生物量和P0C的反演算法；
[0091] 图中，基频单纵模连续激光器1、倍频单纵模脉冲激光器2、扩束器3、光电探测器4、 分光镜5、反射镜6、望远镜7、窄带滤波片8、反射镜9、单模光纤10、偏振分光棱镜11、分光镜 12、倍频/基频二向色分光镜13、干设鉴频器14、倍频/基频二向色分光镜15、光电探测器16、 光电探测器17、光电探测器18、光电探测器19、数据采集及处理系统20。
【具体实施方式】
[0092] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0093] 如图1所示，探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置，可W对浮游 植物生物量和POC进行实时的具有深度分辨率的高精度监测。包括偏振高光谱分辨率激光 雷达系统，且所述的偏振高光谱分辨率激光雷达系统工作在倍频，包括发射系统、接收系 统、锁频系统、数据采集及处理系统20。发射系统包括基频单纵模连续激光器1、倍频单纵模 脉冲激光器2、扩束器3、光电探测器4、分光镜5、反射镜6;接收系统包括望远镜7、窄带滤波 片8、反射镜9、偏振分光棱镜11、分光镜12、倍频/基频二向色分光镜13和15、干设鉴频器14、 光电探测器16、17、18;锁频系统包括基频单纵模连续激光器1、单模光纤10、干设鉴频器14、 倍频/基频二向色分光镜13、15和光电探测器19。基频单纵模连续激光器1发出的连续光经 倍频后在倍频单纵模脉冲激光器2中发生谐振，使倍频单纵模脉冲激光器2发射的脉冲光具 有单模特性。脉冲光经扩束镜3后 由分光镜5分为两路，较弱透射光由光电探测器4监视出射 的光强变化，较强反射光在望远镜7下方经反射镜6后射入海洋，称为出射光。望远镜7收集 海洋的回波信号后由窄带滤光片8滤除背景光，经反光镜9导入分光系统。如图2所示，回波 信号的产生是因为出射光进入海洋后，海水分子产生中屯、频率偏移的布里渊散射信号，海 水中颗粒物产生频谱近似不变的米散射信号，与出射光相比较，它们的偏振态发生一定变 化。回波信号由偏振分光镜11分为正交的两束偏振光，与出射激光偏振方向垂直的一路信 号由光电探测器16接收，称为垂直混合通道;与出射激光偏振方向平行的一路信号由分光 器12分为两束光，较弱光由光电探测器17接收，称为平行混合通道;较强光透过倍频/基频 二向色分光镜13后，经干设鉴频器14滤除海洋颗粒米散射信号，透过海洋布里渊分子散射 信号，并透过倍频/基频二向色分光镜15由光电探测器18接收，称为平行分子通道。利用单 模光纤10将基频种子激光器1发射的连续光射向倍频/基频二向色分光镜13,经倍频/基频 二向色分光镜13反射入干设鉴频器14,由倍频/基频二向色分光镜15反射被光电探测器19 接收，并反馈给干设鉴频器14使其锁定于倍频单纵模脉冲激光器2。光电探测器16、17和18 得到的光信号由数据采集及处理系统20进行光电转换、采集和数字化，并将其进行海洋浮 游植物生物量和P0C的反演分析。
[0094]所述的两个倍频/基频二向色分光镜、干设鉴频器为接收系统和锁频系统共用；当 系统的激光波长不存在基频和倍频的关系时，系统没有基频单纵模连续激光器，倍频/基频 二向色分光镜改为偏振分光棱镜，倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光的偏振方向经1/4 波片旋转90°后引入锁频系统。
[00%]所述的偏振分光棱镜11和光电探测器16不是必须的，当系统设计为非偏振的高光 谱分辨率激光雷达时，系统没有偏振分光棱镜11和光电探测器16,光电探测器17和光电探 测器18接收的信号分别称为混合通道和分子通道，具体的：
[0096] 回波信号由分光器12分为两束光，较弱光由光电探测器17接收，称为混合通道;较 强光透过倍频/基频二向色分光镜13后，经干设鉴频器14滤除海洋颗粒米散射信号，透过海 洋布里渊分子散射信号，并透过倍频/基频二向色分光镜15由光电探测器18接收，称为分子 通道。
[0097] 上述的基频单纵模连续激光器1采用频宽不大于150M化的单纵模连续激光器，例 如美国NP Photonics公司的抗震动单频窄线宽光纤激光器系统，波长为1064.48nm，功率 125mW，频宽 5KHz;
[0098] 上述的倍频单纵模脉冲激光器2采用频宽不大于150M化的单纵模脉冲激光器，例 如美国Continuum公司的Nd: YAG脉冲激光器，采用种子注入技术，波长532.24nm，单脉冲能 量300mJ，重复频率lOHz，频宽150MHz，p偏振输出；
[0099] 上述的扩束器3采用抗强激光扩束器，例如北京大恒公司的GC0-141602型号扩束 镜，6倍扩束；
[0100] 上述的光电探测器4和光电探测器19为高速响应的光电探测器，不需要具有特别 高的灵敏度，如化orlabs公司的抑S025型号PN光电二极管；
[0101] 上述的分光镜5的反射率远大于透射率，能够向具有较高锻膜能力的公司定制，如 Thor labs公司，透反比为0.5:99.5。
[0102] 上述的反射镜6和望远镜7为决定船载激光雷达重叠因子的主要部件，满足船载激 光雷达重叠因子盲区不大于3米的条件；所述的望远镜7为短焦望远镜，其接收角不小于 lOmrad，且具有一定范围的调节能力，例如广州博冠公司生产的蜂鸟20-60X85A望远镜，接 收角10-40mrad可调，直径为85mm;当所述的反射镜6与望远镜7为共轴时，反射镜6的直径小 于望远镜7的1/2;当所述的反射镜6与望远镜7为离轴时，反射镜6与望远镜7的间距尽量小， 且倾斜反射镜6,使出射激光与望远镜7的光轴夹角在平行方向上的分量小于望远镜7接收 角的1/2，且激光偏向望远镜7-侧。
[0103] 当激光雷达为机载时，重叠因子的决定部件包括反射镜6和望远镜7;所述的望远 镜7为长焦大口径望远镜，其接收角较小，且具有一定范围的调节能力，例如星特朗C11HD望 远镜，接收角0.1~Imrad可调，直径为280mm;所述的反射镜6与望远镜处于离轴或共轴位 置，使激光雷达的重叠因子在海洋中为1。
[0104] 上述的反射镜6采用抗强激光反射镜，例如北京大恒公司的GC畑-101062,直径 25mm；
[0105] 上述的窄带滤波片8为带宽较窄的带通光学滤波器，在倍频±^m透射，可选用干 设滤光片，找光学锻膜能力较强的公司，如北京大恒公司定制；
[0106] 上述的反射镜9为普通的介质反射镜即可，如北京大恒公司的GCC101042型号反射 镜；
[0107] 上述的单模光纤10为普通的单模光纤，例如T册RLABS公司的SM980G80型号单模光 纤；
[010引上述的偏振分光棱镜11为普通偏振分光棱镜，例如肥WP0RT公司的10BC16PC.3型 号分光棱镜；
[0109] 上述的透反比为的分光镜12为反射率低于透射率的普通介质分光镜，例如 肥WP0RT公司的UVBS13-2型号分光镜，透反比为95:5;
[0110] 上述的倍频/基频二向色分光镜13和倍频/基频二向色分光镜15采用一般的倍频/ 基频二向色分光镜即可，如NEWPORT公司的10QM20皿.12型号二向色分光镜；
[0111] 上述的干设鉴频器14是具有高光谱分辨率的干设仪；当激光雷达为船载时，干设 鉴频器对入射光角度不敏感，如共焦化bry-Perot干设仪或视场展宽迈克尔逊干设仪；当激 光雷达为机载时，干设鉴频器选择化bry斗erot干设仪或视场展宽迈克尔逊干设仪;所述的 干设鉴频器的中屯、滤波波长与倍频单纵模脉冲激光器的出射脉冲光波长一致，干设鉴频器 能够滤除相对于出射脉冲光频谱不变的海洋颗粒米散射信号，透过发生布里渊频移的海洋 布里渊分子散射信号。上述的光电探测器16、光电探测器17、光电探测器18选择相同型号的 光电探测器，它们必须有高响应速度和高灵敏度，例如日本滨松公司的R6358型号光电倍增 管；
[0112] 上述的数据采集及处理系统20采用德国Licel公司的TR20-80数据采集系统并配 普通个人电脑、台式机或笔记本电脑即可；
[0113] 如图3所示，海洋浮游植物生物量和P0C反演算法包括W下步骤：
[0114] 第一步:根据上述的偏振高光谱分辨率激光雷达系统的散射信号，反演海洋表观 光学参数:散射角为加寸的颗粒体积散射方程βρ和有效衰减系数Kd。由海洋激光雷达望远镜 收集的信号强度可W写为
[0115]
[0116] 其中，Po为脉冲能量，α为空气的消光系数，To和Ts分别为激光雷达系统和海水表面 的透射率，G为重叠因子，η为海水折射率，V为真空中的光速，τ〇为脉冲宽度，Ar为望远镜有效 面积，Η为望远镜距离海面的距离，Z为光在水中传播的距离，βη为散射角为加寸的分子体积 散射方程。公式(33)可W被简化为，
[0117] Β(ζ) = (fin+0p) · θχρ(-2τ)， (34)
[011 引其中，Β=[[Ρ· (nH+z)2]]/(C.G)，常数
光学 厚度
[0119]当探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置为偏振的高光谱分辨 率激光雷达时，被望远镜接收的信号进入偏振高光谱分辨率激光雷达系统的垂直混合通 道、平行混合通道和平行分子通道，公式(34)分别改写为
[0123] 其中，上标丄和□分别表示垂直和平行方向，Tm和Τρ分别为滤波器对分子和颗粒散 射光的透过率。根据公式(35)、（36)和(37)推导得到平行方向的颗粒体积散射方程
[0124]
(38)
[01剧其中，么=戍/戍是分子后向散射消偏系数，钱。垂直方向的颗粒体积散射 方程为
[0126]
儲）
[0127] 其中，=巧/6为总后向散射消偏系数。颗粒体积散射方程表示为公式（38)与 (39)之和
[0128]
触)
[0129] 有效衰减系数写为
[0130]
(41)
[0131] 步骤2、根据散射角为31时的颗粒体积散射方程βρ和有效衰减系数Kd，反演海水的固 有光学参数:颗粒后向散射系数bbp和颗粒光束衰减系数Cp。
[0132] 颗粒后向散射系数bbp与散射角为加寸的颗粒体积散射方程βρ的关系表示为
[0133] bbp = 23TXp(ji)0p, (42)
[0134] 其中，转换因子Χρ( π)由光束衰减系数估算
[0135] Xp(ji)=xic+X2, (43)
[0136] 其中，XI和X2为常系数，颗粒光束衰减系数Cp由光束衰减系数C去除水的光束衰减 系数Cw得到
[0137] cp = c_cw， （44)
[013引其中，C能够利用多次散射系数η表示
[0139] c=KdAl， (45)
[0140] 由于多次散射会导致退偏，多次散射系数表示为
[0141]
(4巧 [01创其中，ω = (iUi3p)/Kd为总的散射消光比。
[0143] 步骤3、根据固有光学参数bbp和Cp反演生物累组分:浮游植物生物量和P0C。
[0144] 浮游植物生物量Cphyto分别由bbp和Cp表示如下：
[0147]颗粒有机碳P0C分别由bbp和Cp表示如下
[0150] 其中，kl、k2、丫 1、丫 2、h、l2、巧和将为常系数。
[0151] 当步骤1所述的探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置为非偏振 的高光谱分辨率激光雷达时，具体步骤如下：
[0152] 步骤4、根据上述的海洋激光雷达散射信号，反演海洋表观光学参数:散射角为加寸 的颗粒体积散射方程βρ和有效衰减系数Kd;由海洋激光雷达望远镜收集的信号强度可W写 为
[0153]
[0154] 其中，Po为脉冲能量，α为空气的消光系数，To和Ts分别为激光雷达系统和海水表面 的透射率，G为重叠因子，η为海水折射率，V为真空中的光速，τ〇为脉冲宽度，Ar为望远镜有效 面积，Η为望远镜距离海面的距离，Z为光在水中传播的距离，βη为散射角为加寸的分子体积 散射方程，Kd为海水的有效衰减系数;公式巧1)可W被简化为，
[015引 B= (fin+0p) · θχρ(-2τ)，巧2)
[0156] 其中，Β=[[Ρ· (nH+z)2]]/[C.G]，常数
光学 厚届
[0157] 被望远镜接收的信号进入非偏振高光谱分辨率激光雷达系统的混合通道和分子 通道，公式(52)分别改写为
[015引 Bc= (0m+0p) · θχρ(-2τ)， (53)
[0159] Βη=(?Μβη+Τρβρ) · exp(-2T)， (54)
[0160] 颗粒的体积散射方程表示为
[0161]
(55)
[0162] 有效衰减系数写为
[0163]
巧贷
[0164] 步骤5、根据散射角为31时的颗粒体积散射方程βρ和有效衰减系数Kd，反演海水的固 有光学参数:颗粒后向散射系数bbp和颗粒光束衰减系数Cp ;
[0165] 颗粒后向散射系数bbp与散射角为加寸的颗粒体积散射方程βρ的关系表示为
[0166] bbp = 23iXp(3i)0p,巧 7)
[0167] 其中，转换因子Χρ(π)由光束衰减系数估算
[016 引 Xp(ji)=xic+X2， (58)
[0169] 其中，XI和X2为常系数，颗粒光束衰减系数Cp由光束衰减系数C去除水的光束衰减 系数Cw得到
[0170] cp = c-Cw,巧 9)
[0171] 其中，C的信息包含于有效衰减系数中
[0172] Kd = K'+k-K')e邱（-0.85CD)， (60)
[0173] 其中，K/为漫衰减系数，D为望远镜投影在海水上的视场大小。通过改变望远镜接 收角，C的大小能够由参数Kd-D的曲线拟合求出；在外海，光束衰减系数能够近似为C -Kd/ (1-ω )，其中，ω = (βη+βρ)/Κ<ι为总的散射消光比；
[0174] 步骤6、根据固有光学参数bbp和Cp反演生物累组分:浮游植物生物量和P0C;
[0175] 浮游植物生物量Cphyto分别由bbp和Cp表示如下：
[017引 Cphyto 二 kl( bbp-ks), (61)
[0177] Cpiyt〇= 丫 i(Cp+丫 2). (62)
[017引颗粒有机碳POC分别由bbp和Cp表示如下
[0181] 其中，ki、k2、丫 1、丫 2、li、h、A和界2'为常系数。
[0182] 所述的海洋浮游植物生物量和P0C反演算法通过所述的步骤1、步骤2、步骤3或者 步骤4、步骤5、步骤6,利用激光雷达方程中的颗粒体积散射方程和有效衰减系数同步反演 浮游植物生物量和POC。
[0183] 所述的常系数XI和X2分别为0.31453和0.36093,在一些特殊的海域，转换因子可W 近似表示为〇.6(深海区域），0.4(近海区域），0.8-1.1(港口浑浊区）。
[0184] 所述的常系数kl、k2、丫 1、丫 2、h、12、約和拷的典型值示于表一，展示了不同海域的 实验拟合参数，括号内为实验数据采用的激光波长。
[0185]
[0186] 所述的反演算法基于不同波长的实验数据，W53化m的工作波长为例，需要用Cp (660)=0.75cp(532)和bbp(550)=0.97bbp(532)=0.93bbp(510)=0.85bbp(470)=0.80bbp (440)，将532nm的高光谱分辨率激光雷达回波信号变化为适用于公式(61)-(64)回波波长 的信号。
[0187] 所述的常系数分别基于全球或者不同海域的测量数据，为了使得运些系数能够普 适地应用于不同的海域测量，建议大西洋、南极极峰海区、地中海、东太平洋等已有实验数 据的海域，常系数采用当前海域的拟合参数，而对于没有实验数据的海域，常系数kl、k2、巧 和扔采用全球的拟合参数，常系数丫 1、丫 2、丫 3采用南极极峰海区的拟合参数，该海区受浮 游植物生物量影响较小，常系数h、l2采用东太平洋的拟合参数，该海区叶绿素含量受浮游 植物生理活动影响较小。合适的常系数选择将大大减小反演产生的误差。
【主权项】
1. 探测海洋浮游植物生物量和POC的激光雷达装置，其特征在于包括偏振高光谱分辨 率激光雷达系统，且所述的偏振高光谱分辨率激光雷达系统工作在倍频，包括发射系统、接 收系统、锁频系统、数据采集及处理系统;发射系统包括基频单纵模连续激光器、倍频单纵 模脉冲激光器、扩束器、光电探测器、分光镜、反射镜;接收系统包括望远镜、窄带滤波片、反 射镜、偏振分光棱镜、分光镜、两个倍频/基频二向色分光镜、干涉鉴频器和三个光电探测 器;锁频系统包括基频单纵模连续激光器、单模光纤、干涉鉴频器、两个倍频/基频二向色分 光镜和光电探测器;基频单纵模连续激光器发出的连续光经倍频后在倍频单纵模脉冲激光 器中发生谐振，使倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光具有单模特性;脉冲光经扩束镜后 由分光镜分为两路，较弱透射光由光电探测器监视出射的光强变化，较强反射光在望远镜 下方经反射镜后射入海洋;望远镜收集海洋的回波信号后由窄带滤光片滤除背景光，经反 光镜导入分光系统；回波信号由偏振分光镜分为正交的两束偏振光，与出射激光偏振方向 垂直的一路信号由分光系统中的一个光电探测器接收，称为垂直混合通道;与出射激光偏 振方向平行的一路信号由分光器分为两束光，一束光由分光系统的另一个光电探测器接 收，称为平行混合通道；另一束光透过其中一个倍频/基频二向色分光镜后，经干涉鉴频器 滤除海洋颗粒米散射信号，透过海洋布里渊分子散射信号，再透过另一个倍频/基频二向色 分光镜由分光系统的再一个光电探测器接收，称为平行分子通道;利用单模光纤将基频种 子激光器发射的连续光射向倍频/基频二向色分光镜（13)，经倍频/基频二向色分光镜（13) 反射入干涉鉴频器，由倍频/基频二向色分光镜（15)反射被光电探测器(19)接收，并反馈给 干涉鉴频器使其锁定于倍频单纵模脉冲激光器;分光系统的三个光电探测器得到的光信号 由数据采集及处理系统进行光电转换、采集和数字化，并将其进行海洋浮游植物生物量和 POC的反演分析。2. 根据权利要求1所述的探测海洋浮游植物生物量和POC的激光雷达装置，其特征在于 当系统为非偏振的高光谱分辨率激光雷达时，包括发射系统、接收系统、锁频系统、数据采 集及处理系统;发射系统包括基频单纵模连续激光器、倍频单纵模脉冲激光器、扩束器、光 电探测器、分光镜、反射镜;接收系统包括望远镜、窄带滤波片、反射镜、偏振分光棱镜、分光 镜、两个倍频/基频二向色分光镜、干涉鉴频器和三个光电探测器;锁频系统包括基频单纵 模连续激光器、单模光纤、干涉鉴频器、两个倍频/基频二向色分光镜和光电探测器;基频单 纵模连续激光器发出的连续光经倍频后在倍频单纵模脉冲激光器中发生谐振，使倍频单纵 模脉冲激光器发射的脉冲光具有单模特性;脉冲光经扩束镜后由分光镜分为两路，较弱透 射光由光电探测器监视出射的光强变化， 较强反射光在望远镜下方经反射镜后射入海洋； 望远镜收集海洋的回波信号后由窄带滤光片滤除背景光，经反光镜导入分光系统；回波信 号由分光器（12)分为两束光，一束光由分光系统的一个光电探测器（17)接收，称为混合通 道；另一束光透过倍频/基频二向色分光镜（13)后，经干涉鉴频器滤除海洋颗粒米散射信 号，透过海洋布里渊分子散射信号，并透过倍频/基频二向色分光镜（15)由分光系统的另一 个光电探测器（18)接收，称为分子通道;利用单模光纤将基频种子激光器发射的连续光射 向倍频/基频二向色分光镜（13)，经倍频/基频二向色分光镜（13)反射入干涉鉴频器，由倍 频/基频二向色分光镜（15)反射被光电探测器（19)接收，并反馈给干涉鉴频器使其锁定于 倍频单纵模脉冲激光器;分光系统的两个光电探测器得到的光信号由数据采集及处理系统 进行光电转换、采集和数字化，并将其进行海洋浮游植物生物量和POC的反演分析。3. 根据权利要求1或2所述的探测海洋浮游植物生物量和POC的激光雷达装置，其特征 在于 所述的两个倍频/基频二向色分光镜和干涉鉴频器为接收系统和锁频系统共用；当系 统的激光波长不存在基频和倍频的关系时，系统没有基频单纵模连续激光器，倍频/基频二 向色分光镜改为偏振分光棱镜，倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光的偏振方向经1/4波 片旋转90°后引入锁频系统。 所述的基频单纵模连续激光器采用频宽不大于150MHz的单纵模连续激光器； 所述的倍频单纵模脉冲激光器采用频宽不大于150MHz的单纵模脉冲激光器； 所述的发射系统中的光电探测器(4)和锁频系统中的光电探测器（19)均为高速响应的 光电探测器； 所述的反射镜(6)和望远镜为决定船载激光雷达重叠因子的主要部件，满足船载激光 雷达重叠因子盲区不大于3米的条件；所述的望远镜为短焦望远镜，其接收角不小于 10mrad，且具有一定范围的调节能力；当所述的反射镜(6)与望远镜为共轴时，反射镜(6)的 直径小于望远镜的1/2;当所述的反射镜(6)与望远镜为离轴时，反射镜(6)与望远镜的间距 尽量小，且倾斜反射镜(6)，使出射激光与望远镜的光轴夹角在平行方向上的分量接近望远 镜接收角的1 /2，且激光偏向望远镜一侧。 当激光雷达为机载时，重叠因子的决定部件包括反射镜和望远镜;所述的望远镜为长 焦大口径望远镜，其接收角较小，且具有一定范围的调节能力;所述的反射镜与望远镜处于 离轴或共轴位置，使激光雷达的重叠因子在海洋中为1。 所述的窄带滤波片为带宽较窄的带通光学滤波器，在倍频±3nm透射； 所述的干涉鉴频器为具有高光谱分辨率的干涉仪，当激光雷达为船载时，干涉鉴频器 对入射光角度不敏感，如共焦Fabry-Perot干涉仪或视场展宽迈克尔逊干涉仪；当激光雷达 为机载时，干涉鉴频器选择Fabry-Perot干涉仪或视场展宽迈克尔逊干涉仪； 所述的分光系统中的三个光电探测器均有高响应速度和高灵敏度。4. 根据权利要求1所述的探测海洋浮游植物生物量和POC的激光雷达装置的反演方法， 其特征在于包括以下步骤： 步骤1、根据上述的偏振高光谱分辨率激光雷达系统的散射信号，反演海洋表观光学参 数:散射角为时的颗粒体积散射方程^和有效衰减系数Kd;由偏振高光谱分辨率激光雷达 望远镜收集的信号强度可以写为其中，Po为脉冲能量，α为空气的消光系数，To和Ts分别为激光雷达系统和海水表面的透 射率，G为重叠因子，η为海水折射率，V为真空中的光速，τ〇为脉冲宽度，Ar为望远镜有效面 积，H为望远镜距离海面的距离，ζ为光在水中传播的距离，K为散射角为π时的分子体积散 射方程;公式(1)可以被简化为， B= (ftn+βρ) · exp(-2O， (2) 其中，Β=[[Ρ· (nH+z)2]]/(OG)，常数光学厚度进入偏振高光谱分辨率激光雷达系统的垂直混合通道、平行混合通道和平行分子通道 的信号分别为其中，上标丄和□分别表示垂直和平行方向，TjPTP分别为滤波器对分子和颗粒散射光 的透过率;根据公式(3)、（4)和(5)推导得到平行方向的颗粒体积散射方程其中，是分子后向散射消偏系数，「垂直方向的颗粒体积散射方程 为其中，为总后向散射消偏系数;颗粒的体积散射方程表示为公式(6)与(7)之和有效衰减系数写为步骤2、根据散射角为31时的颗粒体积散射方程^和有效衰减系数Kd，反演海水的固有光 学参数:颗粒后向散射系数bbp和颗粒光束衰减系数cP; 颗粒后向散射系数bbp与散射角为31时的颗粒体积散射方程^的关系表示为 bbp 一 2lTXp ( 3Τ )βρ j (10) 其中，转换因子xP U)由光束衰减系数估算 Xp(JT) =X1C+X2， (11) 其中，X1和X2为常系数，颗粒光束衰减系数Cp由光束衰减系数C去除水的光束衰减系数(^ 得到 Cp - C-Cw， （12) 其中，C能够利用多次散射系数η表示 C = KdAl. (13) 由于多次散射会导致退偏，多次散射系数表示为其中，ω = (0m+0p)/Kd为总的散射消光比，< =尽/久.为后向散射消偏系数； 步骤3、根据固有光学参数bbdPcpi演生物栗组分:浮游植物生物量和POC; 浮游植物生物量Cphyt。分别由bbp和Cp表不如下： Cphyto - kl(bbp_k2)， (15) Cpiyt0= γ i(cP+γ 2) · (16) 颗粒有机碳POC分别由bbP和Cp表示如下其中，ki、k2、γ 1、γ 2、li、l2、朽和朽为常系数。5.根据权利要求2所述的探测海洋浮游植物生物量和POC的激光雷达装置的反演方法， 其特征在于包括以下步骤： 步骤4、根据上述的非偏振高光谱分辨率激光雷达系统散射信号，反演海洋表观光学参 数:散射角为时的颗粒体积散射方程^和有效衰减系数Kd;由海洋激光雷达望远镜收集的 信号强度可以写为其中，Po为脉冲能量，α为空气的消光系数，To和Ts分别为激光雷达系统和海水表面的透 射率，G为重叠因子，η为海水折射率，V为真空中的光速，τ〇为脉冲宽度，Ar为望远镜有效面 积，H为望远镜距离海面的距离，ζ为光在水中传播的距离，K为散射角为π时的分子体积散 射方程，Kd为海水的有效衰减系数;公式(19)可以被简化为， B= (ftn+βρ) · exp(-2O， (20) 其中，Β=[[Ρ· (nH+z)2]]/(OG)，常数光学厚度进入非偏振高光谱分辨率激光雷达系统的混合通道和分子通道的信号分别表示为 Bc= (β??+βρ) · exp(-2T)， (21) Bm= (Tmfin+Τρβρ) · θχρ(_2τ) · (22) 颗粒的体积散射方程表示为有效衰减系数写为步骤5、根据散射角为31时的颗粒体积散射方程^和有效衰减系数Kd，反演海水的固有光 学参数:颗粒后向散射系数bbp和颗粒光束衰减系数cP; 颗粒后向散射系数bbp与散射角为31时的颗粒体积散射方程^的关系表示为 bbp一2lTXp ( 3Τ )βρ j (25) 其中，转换因子Xp U)由光束衰减系数估算 Xp(Jl) =XiC+X2, (26) 其中，X1和X2为常系数，颗粒光束衰减系数Cp由光束衰减系数C去除水的光束衰减系数(^ 得到 Cp - C-Cw 7 (27) 其中，C的信息包含于有效衰减系数中 Kd = K7+(c-K7 )exp(-0.85cD), (28) 其中，f为漫衰减系数，D为望远镜投影在海水上的视场大小。通过改变望远镜接收角， c的大小能够由参数Kd-D的曲线拟合求出。在外海，光束衰减系数能够近似为c ? Kd/(1- ω )， 其中，ω = (0m+0p)/Kd为总的散射消光比。 步骤6、根据固有光学参数bbdPcpi演生物栗组分:浮游植物生物量和POC; 浮游植物生物量Cphyt。分别由bbp和Cp表不如下： Cphyt。= ki(bbP-k2)， (29) Cpiyto- y I (Cp+ y 2) j (30) 颗粒有机碳POC分别由bbP和Cp表示如下其中，ki、k2、γ 1、γ 2、li、h、於1和铐为常系数。
【专利摘要】本发明公开了一种探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的装置及方法。本发明基于高光谱分辨率激光雷达，结合海洋浮游植物生物量和POC反演算法，利用激光雷达方程中散射角为π时的粒子体积散射方程和有效衰减系数同步反演浮游植物生物量和POC。本发明采用工作在倍频波段的高光谱分辨率激光雷达系统，配合海洋浮游植物生物量和POC反演算法，无需采样就可以对海洋中的海洋浮游植物生物量和POC进行大范围高深度分辨率的高精度测量。
【IPC分类】G01N21/17, G01N21/47, G01N15/00
【公开号】CN105486664
【申请号】CN201511029455
【发明人】刘 东, 杨甬英, 周雨迪, 徐沛拓, 白剑
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月31日
【技术领域】
[0001] 本发明属于海洋主动遥感探测领域，特别是设及一种探测海洋浮游植物生物量和 颗粒有机碳的激光雷达装置及方法。
【背景技术】
[0002] 海洋占据了地球71%的面积，其碳存量远超过陆地生态系统，因此海洋在全球碳 循环中起着重要的作用。随着经济的发展，人为碳排放量不断上升，大气中C〇2含量的增加 引起了全球气候变暖，不仅危害自然生态系统的平衡，还威胁人类的生存。海洋在C〇2的自 然循环中起到主导作用，研究海洋碳循环对于理解、预测、应对、甚至有效地控制气候变化 有巨大的帮助，能够帮助发达和发展中国家制定合适的政策减缓或抑制大气C〇2含量的增 加。同时，海洋中丰富的生物资源为区域经济发展作出了巨大贡献，不同海域的生物资源量 取决于海洋生态系统的生产力。海洋污染、洋流、溫度等因素都会影响海洋生态系统的生产 力，使浮游植物、浮游动物、鱼类等资源量发生变化。海洋碳循环是海洋中能量传递的主要 媒介，准确测量海洋碳循环的过程和强度对于评估海洋初级生产力、海洋鱼类资源等海洋 生态系统生产力参数有重要的参考价值。总之，海洋碳循环在全球碳循环和海洋生态系统 的研究中均发挥重要作用。
[0003] 生物累是海洋碳循环的主导过程之一，它通过浮游植物的光合作用将溶解在海水 中的C〇2固定为生物体中的有机碳，通过浮游生物的新陈代谢排放颗粒有机碳 (Particulate Organic Carbon,P0C)和溶解有机碳（Dissolved Organic &;rbon，D0C)。精 确分析生物累的过程和强度在海洋碳循环的研究中具有重要的参考价值。
[0004] 常规的海洋调查手段利用原位的直接采样结果进行生物累过程和强度的分析，其 劣势在于低效率、低时空分辨率。海洋被动遥感技术具有的大范围实时同步多波段成像的 技术优势，可W快速地探测海洋表面各参量的时空变化规律。但是，被动遥感的缺点是仅提 供面探测，无法进行垂直探测，并且被动遥感还受太阳福射的影响，无法在夜间和较低的太 阳高度角下正常工作，在白天也会受到大气散射的较大影响。激光雷达作为主动遥感器件， 不受太阳福射的影响，能够提供高分辨率的海洋深度信息，为海洋生物累组分的反演提供 了新的思路。值得注意的是，高光谱分辨率激光雷达利用鉴频器分离了水分子产生的布里 渊散射和水中颗粒物产生的米散射光谱，大大提高了海洋生物累组分的反演精度。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出了一种探测海洋浮游植物生 物量和P0C的激光雷达装置及方法。本发明基于高光谱分辨率激光雷达，结合海洋浮游植物 生物量和P0C反演算法，对浮游植物生物量和P0C进行实时的具有深度分辨率的高精度监 测。
[0006] 探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置，包括偏振高光谱分辨率 激光雷达系统。且所述的偏振高光谱分辨率激光雷达系统工作在倍频，包括发射系统、接收 系统、锁频系统、数据采集及处理系统;发射系统包括基频单纵模连续激光器、倍频单纵模 脉冲激光器、扩束器、光电探测器、分光镜、反射镜;接收系统包括望远镜、窄带滤波片、反射 镜、偏振分光棱镜、分光镜、两个倍频/基频二向色分光镜、干设鉴频器和Ξ个光电探测器； 锁频系统包括基频单纵模连续激光器、单模光纤、干设鉴频器、两个倍频/基频二向色分光 镜和光电探测器;基频单纵模连续激光器发出的连续光经倍频后在倍频单纵模脉冲激光器 中发生谐振，使倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光具有单模特性;脉冲光经扩束镜后由 分光镜分为两路，较弱透射光由光电探测器监视出射的光强变化，较强反射光在望远镜下 方经反射镜后射入海洋;望远镜收集海洋的回波信号后由窄带滤光片滤除背景光，经反光 镜导入分光系统；回波信号由偏振分光镜分为正交的两束偏振光，与出射激光偏振方向垂 直的一路信号由分光系统中的一个光电探测器接收，称为垂直混合通道;与出射激光偏振 方向平行的一路信号由分光器分为两束光，一束光由分光系统的另一个光电探测器接收， 称为平行混合通道;另一束光透过其中一个倍频/基频二向色分光镜后，经干设鉴频器滤除 海洋颗粒米散射信号，透过海洋布里渊分子散射信号，再透过另一个倍频/基频二向色分光 镜由分光系统的再一个光电探测器接收，称为平行分子通道;利用单模光纤将基频种子激 光器发射的连续光射向倍频/基频二向色分光镜，经倍频/基频二向色分光镜反射入干设鉴 频器，由另一个倍频/基频二向色分光镜反射被光电探测器接收，并反馈给干设鉴频器使其 锁定于倍频单纵模脉冲激光器;分光系统的Ξ个光电探测器得到的光信号由数据采集及处 理系统进行光电转换、采集和数字化，并将其进行海洋浮游植物生物量和POC的反演分析。
[0007]当系统为非偏振的高光谱分辨率激光雷达时，包括发射系统、接收系统、锁频系 统、数据采集及处理系统;发射系统包括基频单纵模连续激光器、倍频单纵模脉冲激光器、 扩束器、光电探测器、分光镜、反射镜;接收系统包括望远镜、窄带滤波片、反射镜、偏振分光 棱镜、分光镜、两个倍频/基频二向色分光镜、干设鉴频器和Ξ个光电探测器;锁频系统包括 基频单纵模连续激光器、单模光纤、干设鉴频器、两个倍频/基频二向色分光镜和光电探测 器;基频单纵模连续激光器发出的连续光经倍频后在倍频单纵模脉冲激光器中发生谐振， 使倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光具有单模特性;脉冲光经扩束镜后由分光镜分为两 路，较弱透射光由光电探测器监视出射的光强变化，较强反射光在望远镜下方经反射镜后 射入海洋;望远镜收集海洋的回波信号后由窄带滤光片滤除背景光，经反光镜导入分光系 统；回波信号由分光器分为两束光，一束光由分光系统的一个光电探测器接收，称为混合通 道;另一束光透过倍频/基频二向色分光镜后，经干设鉴频器滤除海洋颗粒米散射信号，透 过海洋布里渊分子散射信号，再透过倍频/基频二向色分光镜由分光系统的另一个光电探 测器接收，称为分子通道;利用单模光纤将基频种子激光器发射的连续光射向倍频/基频二 向色分光镜，经倍频/基频二向色分光镜反射入干设鉴频器，由倍频/基频二向色分光镜反 射被光电探测器接收，并反馈给干设鉴频器使其锁定于倍频单纵模脉冲激光器;分光系统 的两个光电探测器得到的光信号由数据采集及处理系统进行光电转换、采集和数字化，并 将其进行海洋浮游植物生物量和P0C的反演分析。
[000引所述的两个倍频/基频二向色分光镜和干设鉴频器为接收系统和锁频系统共用； 当系统的激光波长不存在基频和倍频的关系时，系统没有基频单纵模连续激光器，倍频/基 频二向色分光镜改为偏振分光棱镜，倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光的偏振方向经1/ 4波片旋转90°后引入锁频系统。
[0009] 所述的基频单纵模连续激光器和倍频单纵模脉冲激光器的激光频谱宽度不大于 150MHz，在P或S方向偏振;所述的基频单纵模连续激光器和倍频单纵模脉冲激光器的波长 根据海水浑浊度和反演算法的需要而改变，如采用l〇64nm单纵模连续和532nm单纵模脉冲 激光器，或者133 Inm单纵模连续和665.5nm单纵模脉冲Nd: GdCOB激光器。
[0010] 所述的分光镜的透反比（1-R1):R1很小，如0.5:99.5。
[0011] 所述的反射镜6和望远镜为决定船载激光雷达重叠因子的主要部件，满足船载激 光雷达重叠因子盲区不大于3米的条件；所述的望远镜为短焦望远镜，其接收角不小于 lOmrad，且具有一定范围的调节能力，如10~40mrad;当所述的反射镜6与望远镜为共轴时， 反射镜6的直径小于望远镜的1/2;当所述的反射镜6与望远镜为离轴时，反射镜6与望远镜 的间距尽量小，且倾斜反射镜6,使出射激光与望远镜的光轴夹角在平行方向上的分量接近 望远镜接收角的1 /2，且激光偏向望远镜一侧。
[0012] 当激光雷达为机载时，重叠因子的决定部件包括反射镜6和望远镜;所述的望远镜 为长焦大口径望远镜，其接收角较小，且具有一定范围的调节能力，如0.1~Imrad;所述的 反射镜6与望远镜处于离轴或共轴位置，使激光雷达的重叠因子在海洋中为1。
[0013] 所述的分光镜的透反比（1-R2):R2不是50:50，其透射率远大于反射率，如95:5。
[0014] 所述的干设鉴频器是具有高光谱分辨率的干设仪；当激光雷达为船载时，干设鉴 频器对入射光角度不敏感，如共焦化bry斗erot干设仪或视场展宽迈克尔逊干设仪；当激光 雷达为机载时，干设鉴频器选择化bry-化rot干设仪或视场展宽迈克尔逊干设仪;所述的干 设鉴频器的中屯、滤波波长与倍频单纵模脉冲激光器的出射脉冲光波长一致，干设鉴频器能 够滤除相对于出射脉冲光频谱不变的海洋颗粒米散射信号，透过发生布里渊频移的海洋布 里渊分子散射信号。
[0015] 探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置的反演方法，包括W下步 骤：
[ 0016] 步骤1、根据上述的偏振高光谱分辨率激光雷达系统的散射信号，反演海洋表观光 学参数:散射角为加寸的颗粒体积散射方程βρ和有效衰减系数Kd;由偏振高光谱分辨率激光 雷达系统望远镜收集的信号强度可W写为
[0017]
[001引其中，Po为脉冲能量，α为空气的消光系数，To和Ts分别为激光雷达系统和海水表面 的透射率，G为重叠因子，η为海水折射率，V为真空中的光速，τ0为脉冲宽度，Ar为望远镜有效 面积，Η为望远镜距离海面的距离，Z为光在水中传播的距离，βη为散射角为加寸的分子体积 散射方程;公式(1)可W被简化为
[0019] Β=(βιι+βρ) · θχρ(-2τ), (2)
[0020] 其中
光学 厚度
[0021] 被望远镜接收的信号进入偏振高光谱分辨率激光雷达系统的垂直混合通道、平行 混合通道和平行分子通道，公式(2)分别改写为
[0025] 其中，上标丄和□分别表示垂直和平行方向，Tm和Τρ分别为滤波器对分子和颗粒散 射光的透过率;根据公式(3)、（4)和(5)推导得到平行方向的颗粒体积散射方程
[0026]
(的
[0027] 其中，《"=戍/咸是分子后向散射消偏系数，Κ =公,?/巧；垂直方向的颗粒体积散射 方程为
[0028]
巧)
[0029] 其中，= S /β为总后向散射消偏系数;颗粒的体积散射方程表示为公式（6)与 (7)之和
[0033] 步骤2、根据散射角为31时的颗粒体积散射方程βρ和有效衰减系数Kd，反演海水的固 有光学参数:颗粒后向散射系数bbp和颗粒光束衰减系数Cp ;
[0034] 颗粒后向散射系数bbp与散射角为加寸的颗粒体积散射方程βρ的关系表示为
[0035] bbp = 23TXp(ji)0p, (10)
[0036] 其中，转换因子Χρ(π)由光束衰减系数估算
[0037] Xp(ji)=xic+X2, (11)
[0038] 其中，XI和X2为常系数，颗粒光束衰减系数Cp由光束衰减系数C去除水的光束衰减 系数Cw得到
[0039] cp = c-Cw, (12)
[0040] 其中，C能够由多次散射系数η表示 [0041 ] c=KdAl，(13)
[0042] 由于多次散射会导致退偏，多次散射系数表示为
[0043]
(14)
[0044] 其中，ω = (β"+βρ)/Κ3为总的散射消光比；
[0045] 步骤3、根据固有光学参数bbp和Cp反演生物累组分:浮游植物生物量和P0C;
[0046] 浮游植物生物量Cphyto分别由bbp和Cp表示如下：
[0047] Cphyto 二 ki(bbp-ks), (15)
[004引 Cpiyt0= 丫 i(Cp+丫 2). (16)
[0049] 颗粒有机碳POC分别由bbp和Cp表示如下
[0化2] 其中，ki、k2、丫 1、丫 2、h、l2、巧和耗为常系数。
[0053] 当步骤1所述的探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置为非偏振 的高光谱分辨率激光雷达时，具体步骤如下：
[0054] 步骤4、根据上述的非偏振高光谱分辨率激光雷达系统的散射信号，反演海洋表观 光学参数:散射角为加寸的颗粒体积散射方程βρ和有效衰减系数Kd;由非偏振高光谱分辨率 激光雷达望远镜收集的信号强度可W写为
[0化5]
[0056] 其中，Po为脉冲能量，α为空气的消光系数，Τ'日和Ts分别为激光雷达系统和海水表面 的透射率，G为重叠因子，η为海水折射率，V为真空中的光速，τ〇为脉冲宽度，Ar为望远镜有效 面积，Η为望远镜距离海面的距离，Z为光在水中传播的距离，βη为散射角为加寸的分子体积 散射方程;公式(19)可W被简化为，
[0057] Β=(βιι+βρ) · θχρ(-2τ), (20)
[0化引其中，Β=[[Ρ. (nH+z)2]]/(C.G)，常数
光学 厚度
[0059] 被望远镜接收的信号进入非偏振高光谱分辨率激光雷达系统的混合通道和分子 通道，公式(20)分别改写为
[0060] Bc=(0m+0p) · θχρ(-2τ), (21)
[0061] Βη=(?Μβη+Τρβρ) · exp(-2T)， (22)
[0062] 颗粒的体积散射方程表示为
[0066] 步骤5、根据散射角为31时的颗粒体积散射方程βρ和有效衰减系数Kd，反演海水的固 有光学参数:颗粒后向散射系数bbp和颗粒光束衰减系数Cp ;
[0067] 颗粒后向散射系数bbp与散射角为加寸的颗粒体积散射方程βρ的关系表示为
[006引 bbp = 2JTXp(>)0p，（化）
[0069] 其中，转换因子Xp(31)由光束衰减系数估算
[0070] Xp(ji)=xic+X2, (26)
[0071] 其中，Xi和X2为常系数，颗粒光束衰减系数Cp由光束衰减系数c去除水的光束衰减 系数Cw得到
[0072] cp = c-Cw, (27)
[0073] 其中，C的信息包含于有效衰减系数中
[0074] Kd = K'+k-K')e邱（-0.85CD)， (28)
[0075] 其中，K/为漫衰减系数，D为望远镜投影在海水上的视场大小。通过改变望远镜接 收角，C的大小能够由参数Kd-D的曲线拟合求出；在外海，光束衰减系数能够近似为C -Kd/ (1-ω )，其中，ω = (βη+βρ)/Κ<ι为总的散射消光比；
[0076] 步骤6、根据固有光学参数bbp和Cp反演生物累组分:浮游植物生物量和P0C;
[0077] 浮游植物生物量Cphyto分别由bbp和Cp表示如下：
[007引 Cphyto = kl(bbp-k2)，(29)
[0079] Cpiyt〇= 丫 i(Cp+丫 2). (30)
[0080] 颗粒有机碳P0C分别由bbp和Cp表示如下
[0083] 其中，ki、k2、丫 1、丫 2、h、l2、約和超为常系数。
[0084] 所述的海洋浮游植物生物量和P0C反演算法通过所述的步骤1、步骤2、步骤3或者 步骤4、步骤5、步骤6,利用激光雷达方程中的颗粒体积散射方程和有效衰减系数同步反演 浮游植物生物量和P0C。
[0085] 所述的海洋浮游植物生物量和P0C反演算法中的常系数是利用本发明所示的激光 雷达系统对相关水域进行实际测量后得到的。
[0086] 本发明的有益效果如下：
[0087] 本发明采用工作在倍频波段的高光谱分辨率激光雷达系统，配合海洋浮游植物生 物量和P0C反演算法，无需采样就可W对海洋中的海洋浮游植物生物量和P0C进行大范围高 深度分辨率的高精度测量。
【附图说明】
[008引图1为本发明结构示意图；
[0089] 图2为本发明中干设鉴频器工作原理示意图；
[0090] 图3为本发明海洋浮游植物生物量和P0C的反演算法；
[0091] 图中，基频单纵模连续激光器1、倍频单纵模脉冲激光器2、扩束器3、光电探测器4、 分光镜5、反射镜6、望远镜7、窄带滤波片8、反射镜9、单模光纤10、偏振分光棱镜11、分光镜 12、倍频/基频二向色分光镜13、干设鉴频器14、倍频/基频二向色分光镜15、光电探测器16、 光电探测器17、光电探测器18、光电探测器19、数据采集及处理系统20。
【具体实施方式】
[0092] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0093] 如图1所示，探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置，可W对浮游 植物生物量和POC进行实时的具有深度分辨率的高精度监测。包括偏振高光谱分辨率激光 雷达系统，且所述的偏振高光谱分辨率激光雷达系统工作在倍频，包括发射系统、接收系 统、锁频系统、数据采集及处理系统20。发射系统包括基频单纵模连续激光器1、倍频单纵模 脉冲激光器2、扩束器3、光电探测器4、分光镜5、反射镜6;接收系统包括望远镜7、窄带滤波 片8、反射镜9、偏振分光棱镜11、分光镜12、倍频/基频二向色分光镜13和15、干设鉴频器14、 光电探测器16、17、18;锁频系统包括基频单纵模连续激光器1、单模光纤10、干设鉴频器14、 倍频/基频二向色分光镜13、15和光电探测器19。基频单纵模连续激光器1发出的连续光经 倍频后在倍频单纵模脉冲激光器2中发生谐振，使倍频单纵模脉冲激光器2发射的脉冲光具 有单模特性。脉冲光经扩束镜3后 由分光镜5分为两路，较弱透射光由光电探测器4监视出射 的光强变化，较强反射光在望远镜7下方经反射镜6后射入海洋，称为出射光。望远镜7收集 海洋的回波信号后由窄带滤光片8滤除背景光，经反光镜9导入分光系统。如图2所示，回波 信号的产生是因为出射光进入海洋后，海水分子产生中屯、频率偏移的布里渊散射信号，海 水中颗粒物产生频谱近似不变的米散射信号，与出射光相比较，它们的偏振态发生一定变 化。回波信号由偏振分光镜11分为正交的两束偏振光，与出射激光偏振方向垂直的一路信 号由光电探测器16接收，称为垂直混合通道;与出射激光偏振方向平行的一路信号由分光 器12分为两束光，较弱光由光电探测器17接收，称为平行混合通道;较强光透过倍频/基频 二向色分光镜13后，经干设鉴频器14滤除海洋颗粒米散射信号，透过海洋布里渊分子散射 信号，并透过倍频/基频二向色分光镜15由光电探测器18接收，称为平行分子通道。利用单 模光纤10将基频种子激光器1发射的连续光射向倍频/基频二向色分光镜13,经倍频/基频 二向色分光镜13反射入干设鉴频器14,由倍频/基频二向色分光镜15反射被光电探测器19 接收，并反馈给干设鉴频器14使其锁定于倍频单纵模脉冲激光器2。光电探测器16、17和18 得到的光信号由数据采集及处理系统20进行光电转换、采集和数字化，并将其进行海洋浮 游植物生物量和P0C的反演分析。
[0094]所述的两个倍频/基频二向色分光镜、干设鉴频器为接收系统和锁频系统共用；当 系统的激光波长不存在基频和倍频的关系时，系统没有基频单纵模连续激光器，倍频/基频 二向色分光镜改为偏振分光棱镜，倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光的偏振方向经1/4 波片旋转90°后引入锁频系统。
[00%]所述的偏振分光棱镜11和光电探测器16不是必须的，当系统设计为非偏振的高光 谱分辨率激光雷达时，系统没有偏振分光棱镜11和光电探测器16,光电探测器17和光电探 测器18接收的信号分别称为混合通道和分子通道，具体的：
[0096] 回波信号由分光器12分为两束光，较弱光由光电探测器17接收，称为混合通道;较 强光透过倍频/基频二向色分光镜13后，经干设鉴频器14滤除海洋颗粒米散射信号，透过海 洋布里渊分子散射信号，并透过倍频/基频二向色分光镜15由光电探测器18接收，称为分子 通道。
[0097] 上述的基频单纵模连续激光器1采用频宽不大于150M化的单纵模连续激光器，例 如美国NP Photonics公司的抗震动单频窄线宽光纤激光器系统，波长为1064.48nm，功率 125mW，频宽 5KHz;
[0098] 上述的倍频单纵模脉冲激光器2采用频宽不大于150M化的单纵模脉冲激光器，例 如美国Continuum公司的Nd: YAG脉冲激光器，采用种子注入技术，波长532.24nm，单脉冲能 量300mJ，重复频率lOHz，频宽150MHz，p偏振输出；
[0099] 上述的扩束器3采用抗强激光扩束器，例如北京大恒公司的GC0-141602型号扩束 镜，6倍扩束；
[0100] 上述的光电探测器4和光电探测器19为高速响应的光电探测器，不需要具有特别 高的灵敏度，如化orlabs公司的抑S025型号PN光电二极管；
[0101] 上述的分光镜5的反射率远大于透射率，能够向具有较高锻膜能力的公司定制，如 Thor labs公司，透反比为0.5:99.5。
[0102] 上述的反射镜6和望远镜7为决定船载激光雷达重叠因子的主要部件，满足船载激 光雷达重叠因子盲区不大于3米的条件；所述的望远镜7为短焦望远镜，其接收角不小于 lOmrad，且具有一定范围的调节能力，例如广州博冠公司生产的蜂鸟20-60X85A望远镜，接 收角10-40mrad可调，直径为85mm;当所述的反射镜6与望远镜7为共轴时，反射镜6的直径小 于望远镜7的1/2;当所述的反射镜6与望远镜7为离轴时，反射镜6与望远镜7的间距尽量小， 且倾斜反射镜6,使出射激光与望远镜7的光轴夹角在平行方向上的分量小于望远镜7接收 角的1/2，且激光偏向望远镜7-侧。
[0103] 当激光雷达为机载时，重叠因子的决定部件包括反射镜6和望远镜7;所述的望远 镜7为长焦大口径望远镜，其接收角较小，且具有一定范围的调节能力，例如星特朗C11HD望 远镜，接收角0.1~Imrad可调，直径为280mm;所述的反射镜6与望远镜处于离轴或共轴位 置，使激光雷达的重叠因子在海洋中为1。
[0104] 上述的反射镜6采用抗强激光反射镜，例如北京大恒公司的GC畑-101062,直径 25mm；
[0105] 上述的窄带滤波片8为带宽较窄的带通光学滤波器，在倍频±^m透射，可选用干 设滤光片，找光学锻膜能力较强的公司，如北京大恒公司定制；
[0106] 上述的反射镜9为普通的介质反射镜即可，如北京大恒公司的GCC101042型号反射 镜；
[0107] 上述的单模光纤10为普通的单模光纤，例如T册RLABS公司的SM980G80型号单模光 纤；
[010引上述的偏振分光棱镜11为普通偏振分光棱镜，例如肥WP0RT公司的10BC16PC.3型 号分光棱镜；
[0109] 上述的透反比为的分光镜12为反射率低于透射率的普通介质分光镜，例如 肥WP0RT公司的UVBS13-2型号分光镜，透反比为95:5;
[0110] 上述的倍频/基频二向色分光镜13和倍频/基频二向色分光镜15采用一般的倍频/ 基频二向色分光镜即可，如NEWPORT公司的10QM20皿.12型号二向色分光镜；
[0111] 上述的干设鉴频器14是具有高光谱分辨率的干设仪；当激光雷达为船载时，干设 鉴频器对入射光角度不敏感，如共焦化bry-Perot干设仪或视场展宽迈克尔逊干设仪；当激 光雷达为机载时，干设鉴频器选择化bry斗erot干设仪或视场展宽迈克尔逊干设仪;所述的 干设鉴频器的中屯、滤波波长与倍频单纵模脉冲激光器的出射脉冲光波长一致，干设鉴频器 能够滤除相对于出射脉冲光频谱不变的海洋颗粒米散射信号，透过发生布里渊频移的海洋 布里渊分子散射信号。上述的光电探测器16、光电探测器17、光电探测器18选择相同型号的 光电探测器，它们必须有高响应速度和高灵敏度，例如日本滨松公司的R6358型号光电倍增 管；
[0112] 上述的数据采集及处理系统20采用德国Licel公司的TR20-80数据采集系统并配 普通个人电脑、台式机或笔记本电脑即可；
[0113] 如图3所示，海洋浮游植物生物量和P0C反演算法包括W下步骤：
[0114] 第一步:根据上述的偏振高光谱分辨率激光雷达系统的散射信号，反演海洋表观 光学参数:散射角为加寸的颗粒体积散射方程βρ和有效衰减系数Kd。由海洋激光雷达望远镜 收集的信号强度可W写为
[0115]
[0116] 其中，Po为脉冲能量，α为空气的消光系数，To和Ts分别为激光雷达系统和海水表面 的透射率，G为重叠因子，η为海水折射率，V为真空中的光速，τ〇为脉冲宽度，Ar为望远镜有效 面积，Η为望远镜距离海面的距离，Z为光在水中传播的距离，βη为散射角为加寸的分子体积 散射方程。公式(33)可W被简化为，
[0117] Β(ζ) = (fin+0p) · θχρ(-2τ)， (34)
[011 引其中，Β=[[Ρ· (nH+z)2]]/(C.G)，常数
光学 厚度
[0119]当探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置为偏振的高光谱分辨 率激光雷达时，被望远镜接收的信号进入偏振高光谱分辨率激光雷达系统的垂直混合通 道、平行混合通道和平行分子通道，公式(34)分别改写为
[0123] 其中，上标丄和□分别表示垂直和平行方向，Tm和Τρ分别为滤波器对分子和颗粒散 射光的透过率。根据公式(35)、（36)和(37)推导得到平行方向的颗粒体积散射方程
[0124]
(38)
[01剧其中，么=戍/戍是分子后向散射消偏系数，钱。垂直方向的颗粒体积散射 方程为
[0126]
儲）
[0127] 其中，=巧/6为总后向散射消偏系数。颗粒体积散射方程表示为公式（38)与 (39)之和
[0128]
触)
[0129] 有效衰减系数写为
[0130]
(41)
[0131] 步骤2、根据散射角为31时的颗粒体积散射方程βρ和有效衰减系数Kd，反演海水的固 有光学参数:颗粒后向散射系数bbp和颗粒光束衰减系数Cp。
[0132] 颗粒后向散射系数bbp与散射角为加寸的颗粒体积散射方程βρ的关系表示为
[0133] bbp = 23TXp(ji)0p, (42)
[0134] 其中，转换因子Χρ( π)由光束衰减系数估算
[0135] Xp(ji)=xic+X2, (43)
[0136] 其中，XI和X2为常系数，颗粒光束衰减系数Cp由光束衰减系数C去除水的光束衰减 系数Cw得到
[0137] cp = c_cw， （44)
[013引其中，C能够利用多次散射系数η表示
[0139] c=KdAl， (45)
[0140] 由于多次散射会导致退偏，多次散射系数表示为
[0141]
(4巧 [01创其中，ω = (iUi3p)/Kd为总的散射消光比。
[0143] 步骤3、根据固有光学参数bbp和Cp反演生物累组分:浮游植物生物量和P0C。
[0144] 浮游植物生物量Cphyto分别由bbp和Cp表示如下：
[0147]颗粒有机碳P0C分别由bbp和Cp表示如下
[0150] 其中，kl、k2、丫 1、丫 2、h、l2、巧和将为常系数。
[0151] 当步骤1所述的探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的激光雷达装置为非偏振 的高光谱分辨率激光雷达时，具体步骤如下：
[0152] 步骤4、根据上述的海洋激光雷达散射信号，反演海洋表观光学参数:散射角为加寸 的颗粒体积散射方程βρ和有效衰减系数Kd;由海洋激光雷达望远镜收集的信号强度可W写 为
[0153]
[0154] 其中，Po为脉冲能量，α为空气的消光系数，To和Ts分别为激光雷达系统和海水表面 的透射率，G为重叠因子，η为海水折射率，V为真空中的光速，τ〇为脉冲宽度，Ar为望远镜有效 面积，Η为望远镜距离海面的距离，Z为光在水中传播的距离，βη为散射角为加寸的分子体积 散射方程，Kd为海水的有效衰减系数;公式巧1)可W被简化为，
[015引 B= (fin+0p) · θχρ(-2τ)，巧2)
[0156] 其中，Β=[[Ρ· (nH+z)2]]/[C.G]，常数
光学 厚届
[0157] 被望远镜接收的信号进入非偏振高光谱分辨率激光雷达系统的混合通道和分子 通道，公式(52)分别改写为
[015引 Bc= (0m+0p) · θχρ(-2τ)， (53)
[0159] Βη=(?Μβη+Τρβρ) · exp(-2T)， (54)
[0160] 颗粒的体积散射方程表示为
[0161]
(55)
[0162] 有效衰减系数写为
[0163]
巧贷
[0164] 步骤5、根据散射角为31时的颗粒体积散射方程βρ和有效衰减系数Kd，反演海水的固 有光学参数:颗粒后向散射系数bbp和颗粒光束衰减系数Cp ;
[0165] 颗粒后向散射系数bbp与散射角为加寸的颗粒体积散射方程βρ的关系表示为
[0166] bbp = 23iXp(3i)0p,巧 7)
[0167] 其中，转换因子Χρ(π)由光束衰减系数估算
[016 引 Xp(ji)=xic+X2， (58)
[0169] 其中，XI和X2为常系数，颗粒光束衰减系数Cp由光束衰减系数C去除水的光束衰减 系数Cw得到
[0170] cp = c-Cw,巧 9)
[0171] 其中，C的信息包含于有效衰减系数中
[0172] Kd = K'+k-K')e邱（-0.85CD)， (60)
[0173] 其中，K/为漫衰减系数，D为望远镜投影在海水上的视场大小。通过改变望远镜接 收角，C的大小能够由参数Kd-D的曲线拟合求出；在外海，光束衰减系数能够近似为C -Kd/ (1-ω )，其中，ω = (βη+βρ)/Κ<ι为总的散射消光比；
[0174] 步骤6、根据固有光学参数bbp和Cp反演生物累组分:浮游植物生物量和P0C;
[0175] 浮游植物生物量Cphyto分别由bbp和Cp表示如下：
[017引 Cphyto 二 kl( bbp-ks), (61)
[0177] Cpiyt〇= 丫 i(Cp+丫 2). (62)
[017引颗粒有机碳POC分别由bbp和Cp表示如下
[0181] 其中，ki、k2、丫 1、丫 2、li、h、A和界2'为常系数。
[0182] 所述的海洋浮游植物生物量和P0C反演算法通过所述的步骤1、步骤2、步骤3或者 步骤4、步骤5、步骤6,利用激光雷达方程中的颗粒体积散射方程和有效衰减系数同步反演 浮游植物生物量和POC。
[0183] 所述的常系数XI和X2分别为0.31453和0.36093,在一些特殊的海域，转换因子可W 近似表示为〇.6(深海区域），0.4(近海区域），0.8-1.1(港口浑浊区）。
[0184] 所述的常系数kl、k2、丫 1、丫 2、h、12、約和拷的典型值示于表一，展示了不同海域的 实验拟合参数，括号内为实验数据采用的激光波长。
[0185]
[0186] 所述的反演算法基于不同波长的实验数据，W53化m的工作波长为例，需要用Cp (660)=0.75cp(532)和bbp(550)=0.97bbp(532)=0.93bbp(510)=0.85bbp(470)=0.80bbp (440)，将532nm的高光谱分辨率激光雷达回波信号变化为适用于公式(61)-(64)回波波长 的信号。
[0187] 所述的常系数分别基于全球或者不同海域的测量数据，为了使得运些系数能够普 适地应用于不同的海域测量，建议大西洋、南极极峰海区、地中海、东太平洋等已有实验数 据的海域，常系数采用当前海域的拟合参数，而对于没有实验数据的海域，常系数kl、k2、巧 和扔采用全球的拟合参数，常系数丫 1、丫 2、丫 3采用南极极峰海区的拟合参数，该海区受浮 游植物生物量影响较小，常系数h、l2采用东太平洋的拟合参数，该海区叶绿素含量受浮游 植物生理活动影响较小。合适的常系数选择将大大减小反演产生的误差。
【主权项】
1. 探测海洋浮游植物生物量和POC的激光雷达装置，其特征在于包括偏振高光谱分辨 率激光雷达系统，且所述的偏振高光谱分辨率激光雷达系统工作在倍频，包括发射系统、接 收系统、锁频系统、数据采集及处理系统;发射系统包括基频单纵模连续激光器、倍频单纵 模脉冲激光器、扩束器、光电探测器、分光镜、反射镜;接收系统包括望远镜、窄带滤波片、反 射镜、偏振分光棱镜、分光镜、两个倍频/基频二向色分光镜、干涉鉴频器和三个光电探测 器;锁频系统包括基频单纵模连续激光器、单模光纤、干涉鉴频器、两个倍频/基频二向色分 光镜和光电探测器;基频单纵模连续激光器发出的连续光经倍频后在倍频单纵模脉冲激光 器中发生谐振，使倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光具有单模特性;脉冲光经扩束镜后 由分光镜分为两路，较弱透射光由光电探测器监视出射的光强变化，较强反射光在望远镜 下方经反射镜后射入海洋;望远镜收集海洋的回波信号后由窄带滤光片滤除背景光，经反 光镜导入分光系统；回波信号由偏振分光镜分为正交的两束偏振光，与出射激光偏振方向 垂直的一路信号由分光系统中的一个光电探测器接收，称为垂直混合通道;与出射激光偏 振方向平行的一路信号由分光器分为两束光，一束光由分光系统的另一个光电探测器接 收，称为平行混合通道；另一束光透过其中一个倍频/基频二向色分光镜后，经干涉鉴频器 滤除海洋颗粒米散射信号，透过海洋布里渊分子散射信号，再透过另一个倍频/基频二向色 分光镜由分光系统的再一个光电探测器接收，称为平行分子通道;利用单模光纤将基频种 子激光器发射的连续光射向倍频/基频二向色分光镜（13)，经倍频/基频二向色分光镜（13) 反射入干涉鉴频器，由倍频/基频二向色分光镜（15)反射被光电探测器(19)接收，并反馈给 干涉鉴频器使其锁定于倍频单纵模脉冲激光器;分光系统的三个光电探测器得到的光信号 由数据采集及处理系统进行光电转换、采集和数字化，并将其进行海洋浮游植物生物量和 POC的反演分析。2. 根据权利要求1所述的探测海洋浮游植物生物量和POC的激光雷达装置，其特征在于 当系统为非偏振的高光谱分辨率激光雷达时，包括发射系统、接收系统、锁频系统、数据采 集及处理系统;发射系统包括基频单纵模连续激光器、倍频单纵模脉冲激光器、扩束器、光 电探测器、分光镜、反射镜;接收系统包括望远镜、窄带滤波片、反射镜、偏振分光棱镜、分光 镜、两个倍频/基频二向色分光镜、干涉鉴频器和三个光电探测器;锁频系统包括基频单纵 模连续激光器、单模光纤、干涉鉴频器、两个倍频/基频二向色分光镜和光电探测器;基频单 纵模连续激光器发出的连续光经倍频后在倍频单纵模脉冲激光器中发生谐振，使倍频单纵 模脉冲激光器发射的脉冲光具有单模特性;脉冲光经扩束镜后由分光镜分为两路，较弱透 射光由光电探测器监视出射的光强变化， 较强反射光在望远镜下方经反射镜后射入海洋； 望远镜收集海洋的回波信号后由窄带滤光片滤除背景光，经反光镜导入分光系统；回波信 号由分光器（12)分为两束光，一束光由分光系统的一个光电探测器（17)接收，称为混合通 道；另一束光透过倍频/基频二向色分光镜（13)后，经干涉鉴频器滤除海洋颗粒米散射信 号，透过海洋布里渊分子散射信号，并透过倍频/基频二向色分光镜（15)由分光系统的另一 个光电探测器（18)接收，称为分子通道;利用单模光纤将基频种子激光器发射的连续光射 向倍频/基频二向色分光镜（13)，经倍频/基频二向色分光镜（13)反射入干涉鉴频器，由倍 频/基频二向色分光镜（15)反射被光电探测器（19)接收，并反馈给干涉鉴频器使其锁定于 倍频单纵模脉冲激光器;分光系统的两个光电探测器得到的光信号由数据采集及处理系统 进行光电转换、采集和数字化，并将其进行海洋浮游植物生物量和POC的反演分析。3. 根据权利要求1或2所述的探测海洋浮游植物生物量和POC的激光雷达装置，其特征 在于 所述的两个倍频/基频二向色分光镜和干涉鉴频器为接收系统和锁频系统共用；当系 统的激光波长不存在基频和倍频的关系时，系统没有基频单纵模连续激光器，倍频/基频二 向色分光镜改为偏振分光棱镜，倍频单纵模脉冲激光器发射的脉冲光的偏振方向经1/4波 片旋转90°后引入锁频系统。 所述的基频单纵模连续激光器采用频宽不大于150MHz的单纵模连续激光器； 所述的倍频单纵模脉冲激光器采用频宽不大于150MHz的单纵模脉冲激光器； 所述的发射系统中的光电探测器(4)和锁频系统中的光电探测器（19)均为高速响应的 光电探测器； 所述的反射镜(6)和望远镜为决定船载激光雷达重叠因子的主要部件，满足船载激光 雷达重叠因子盲区不大于3米的条件；所述的望远镜为短焦望远镜，其接收角不小于 10mrad，且具有一定范围的调节能力；当所述的反射镜(6)与望远镜为共轴时，反射镜(6)的 直径小于望远镜的1/2;当所述的反射镜(6)与望远镜为离轴时，反射镜(6)与望远镜的间距 尽量小，且倾斜反射镜(6)，使出射激光与望远镜的光轴夹角在平行方向上的分量接近望远 镜接收角的1 /2，且激光偏向望远镜一侧。 当激光雷达为机载时，重叠因子的决定部件包括反射镜和望远镜;所述的望远镜为长 焦大口径望远镜，其接收角较小，且具有一定范围的调节能力;所述的反射镜与望远镜处于 离轴或共轴位置，使激光雷达的重叠因子在海洋中为1。 所述的窄带滤波片为带宽较窄的带通光学滤波器，在倍频±3nm透射； 所述的干涉鉴频器为具有高光谱分辨率的干涉仪，当激光雷达为船载时，干涉鉴频器 对入射光角度不敏感，如共焦Fabry-Perot干涉仪或视场展宽迈克尔逊干涉仪；当激光雷达 为机载时，干涉鉴频器选择Fabry-Perot干涉仪或视场展宽迈克尔逊干涉仪； 所述的分光系统中的三个光电探测器均有高响应速度和高灵敏度。4. 根据权利要求1所述的探测海洋浮游植物生物量和POC的激光雷达装置的反演方法， 其特征在于包括以下步骤： 步骤1、根据上述的偏振高光谱分辨率激光雷达系统的散射信号，反演海洋表观光学参 数:散射角为时的颗粒体积散射方程^和有效衰减系数Kd;由偏振高光谱分辨率激光雷达 望远镜收集的信号强度可以写为其中，Po为脉冲能量，α为空气的消光系数，To和Ts分别为激光雷达系统和海水表面的透 射率，G为重叠因子，η为海水折射率，V为真空中的光速，τ〇为脉冲宽度，Ar为望远镜有效面 积，H为望远镜距离海面的距离，ζ为光在水中传播的距离，K为散射角为π时的分子体积散 射方程;公式(1)可以被简化为， B= (ftn+βρ) · exp(-2O， (2) 其中，Β=[[Ρ· (nH+z)2]]/(OG)，常数光学厚度进入偏振高光谱分辨率激光雷达系统的垂直混合通道、平行混合通道和平行分子通道 的信号分别为其中，上标丄和□分别表示垂直和平行方向，TjPTP分别为滤波器对分子和颗粒散射光 的透过率;根据公式(3)、（4)和(5)推导得到平行方向的颗粒体积散射方程其中，是分子后向散射消偏系数，「垂直方向的颗粒体积散射方程 为其中，为总后向散射消偏系数;颗粒的体积散射方程表示为公式(6)与(7)之和有效衰减系数写为步骤2、根据散射角为31时的颗粒体积散射方程^和有效衰减系数Kd，反演海水的固有光 学参数:颗粒后向散射系数bbp和颗粒光束衰减系数cP; 颗粒后向散射系数bbp与散射角为31时的颗粒体积散射方程^的关系表示为 bbp 一 2lTXp ( 3Τ )βρ j (10) 其中，转换因子xP U)由光束衰减系数估算 Xp(JT) =X1C+X2， (11) 其中，X1和X2为常系数，颗粒光束衰减系数Cp由光束衰减系数C去除水的光束衰减系数(^ 得到 Cp - C-Cw， （12) 其中，C能够利用多次散射系数η表示 C = KdAl. (13) 由于多次散射会导致退偏，多次散射系数表示为其中，ω = (0m+0p)/Kd为总的散射消光比，< =尽/久.为后向散射消偏系数； 步骤3、根据固有光学参数bbdPcpi演生物栗组分:浮游植物生物量和POC; 浮游植物生物量Cphyt。分别由bbp和Cp表不如下： Cphyto - kl(bbp_k2)， (15) Cpiyt0= γ i(cP+γ 2) · (16) 颗粒有机碳POC分别由bbP和Cp表示如下其中，ki、k2、γ 1、γ 2、li、l2、朽和朽为常系数。5.根据权利要求2所述的探测海洋浮游植物生物量和POC的激光雷达装置的反演方法， 其特征在于包括以下步骤： 步骤4、根据上述的非偏振高光谱分辨率激光雷达系统散射信号，反演海洋表观光学参 数:散射角为时的颗粒体积散射方程^和有效衰减系数Kd;由海洋激光雷达望远镜收集的 信号强度可以写为其中，Po为脉冲能量，α为空气的消光系数，To和Ts分别为激光雷达系统和海水表面的透 射率，G为重叠因子，η为海水折射率，V为真空中的光速，τ〇为脉冲宽度，Ar为望远镜有效面 积，H为望远镜距离海面的距离，ζ为光在水中传播的距离，K为散射角为π时的分子体积散 射方程，Kd为海水的有效衰减系数;公式(19)可以被简化为， B= (ftn+βρ) · exp(-2O， (20) 其中，Β=[[Ρ· (nH+z)2]]/(OG)，常数光学厚度进入非偏振高光谱分辨率激光雷达系统的混合通道和分子通道的信号分别表示为 Bc= (β??+βρ) · exp(-2T)， (21) Bm= (Tmfin+Τρβρ) · θχρ(_2τ) · (22) 颗粒的体积散射方程表示为有效衰减系数写为步骤5、根据散射角为31时的颗粒体积散射方程^和有效衰减系数Kd，反演海水的固有光 学参数:颗粒后向散射系数bbp和颗粒光束衰减系数cP; 颗粒后向散射系数bbp与散射角为31时的颗粒体积散射方程^的关系表示为 bbp一2lTXp ( 3Τ )βρ j (25) 其中，转换因子Xp U)由光束衰减系数估算 Xp(Jl) =XiC+X2, (26) 其中，X1和X2为常系数，颗粒光束衰减系数Cp由光束衰减系数C去除水的光束衰减系数(^ 得到 Cp - C-Cw 7 (27) 其中，C的信息包含于有效衰减系数中 Kd = K7+(c-K7 )exp(-0.85cD), (28) 其中，f为漫衰减系数，D为望远镜投影在海水上的视场大小。通过改变望远镜接收角， c的大小能够由参数Kd-D的曲线拟合求出。在外海，光束衰减系数能够近似为c ? Kd/(1- ω )， 其中，ω = (0m+0p)/Kd为总的散射消光比。 步骤6、根据固有光学参数bbdPcpi演生物栗组分:浮游植物生物量和POC; 浮游植物生物量Cphyt。分别由bbp和Cp表不如下： Cphyt。= ki(bbP-k2)， (29) Cpiyto- y I (Cp+ y 2) j (30) 颗粒有机碳POC分别由bbP和Cp表示如下其中，ki、k2、γ 1、γ 2、li、h、於1和铐为常系数。
【专利摘要】本发明公开了一种探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的装置及方法。本发明基于高光谱分辨率激光雷达，结合海洋浮游植物生物量和POC反演算法，利用激光雷达方程中散射角为π时的粒子体积散射方程和有效衰减系数同步反演浮游植物生物量和POC。本发明采用工作在倍频波段的高光谱分辨率激光雷达系统，配合海洋浮游植物生物量和POC反演算法，无需采样就可以对海洋中的海洋浮游植物生物量和POC进行大范围高深度分辨率的高精度测量。
【IPC分类】G01N21/17, G01N21/47, G01N15/00
【公开号】CN105486664
【申请号】CN201511029455
【发明人】刘 东, 杨甬英, 周雨迪, 徐沛拓, 白剑
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月31日
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