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激光雷达作为一种有效的主动遥感系统,通过激光穿过传输介质产生的延时、频移,以及激光导致介质引起的吸收、弹性散射、拉曼散射、荧光等信号进行遥测,具备时间分辨测量能力,并通过分析回波信号的光谱、波形、强度、频移等特性,能够获得一定深度探测剖面参数或目标的有关信息,是卫星海洋遥感的重要发展方向[8]。
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美国是世界上最早开展海洋激光测深技术研究的国家,1968年,美国Syracuse大学的Hickman和Hogg建立了世界上第一个激光海洋测深系统[8],首次阐述了激光水下测深测量技术的可行性,初步建立了激光探测技术的理论基础;此后,美国海军研制成功PLADS激光测深系统,随后NASA研制成功ALB激光测深系统,并于1971年至1974年进行了试验,在圆盘透明度为5 Ms时,测深能力达10 m左右,20世纪70年代末NASA又研制成功具有扫描和高速数据记录功能的AOL水文雷达,采用400 Hz的低峰值功率激光器,绘制出了水深小于10 m的海底地貌。
20世纪80年代,美国海军采用500 Hz的染料激光器,配合全球定位系统GPS,1 GHz的采样率AD卡进行信号处理,处理结果采用彩色编码显示,处理速度5 MIPS,比实际要求的实时处理速度少一两个数量级,随后美国采用了新的计算机系统,将处理速度提高到300 MIPS,以保证任何可行的算法都可以实现。同期,加拿大的CHS组织开发了功能先进的LASERN500测深系统,采用红外和蓝绿激光共同扫描,500 MHz采样率。该系统在衰减系数0.3 m−1时,测深能力达40 m。前苏联于1991年研制成功GOL系统。
20世纪90年代,机载激光测深系统进入实用阶段,美国、澳大利亚、瑞典等都报道了自己的实用型测深系统。这一时期的系统普遍增加了GPS定位和定高功能。1989年到1993年澳大利亚国防部委托Vision系统公司对LADS进行了重新设计和改进,自1993年以来,澳大利亚海军一直利用这套系统进行海道测量,测量面积已超过6×104 km。1995年,Vision公司又投资二千四百万澳元研制新的机载激光测深系统,并命名为LADS MK Ⅱ。该系统于1998年9月开始使用,它的效率是传统声纳测量方法的20倍,但所用经费只有传统方法的20%,而且其测量精度能达到《国际海道测量标准》中一级精度要求,测量速率900 Hz,测深范围可达70 m,扫面宽度240 m。
1993年,加拿大的Optech公司为美国军事工程师协会生产的SHOALS激光测深系统,采用200 Hz的固体激光器,绿光和红外共同扫描方式,采用的第3个光通道,利用674 nm红光的拉曼后向散射进行海面检测以及海面、陆地的区分,拉曼回波全部来自水体的后向散射,没有海面的反射成分,保证了精确的海面定位。1994年,该公司为瑞典海军海道测量部研制生产了HAWK EYE测深系统,用于海道测量和水下目标探测,该系统采样率1 GHz,绿光检测用APD代替PMT,回波提取能力强扫描精度提高,体积减少。
先后经过20余年的发展,目前SHOALS(Scanned Hydrographic Operational Airborne Lidar Survey)系统,是国外典型的海洋探测机载激光雷达系统,也是界上最为先进的激光雷达海洋探测系统。具有先进的GPS定位和定高功能,目前最新一代的系统采用重频为1 kHz和10 kHz的Nd:YAG激光器,绿光和红光共线扫描方式,具有独立的红外和拉曼通道,有5个接收通道,3个用于探测海水界面,2个用于探测海底,增加的647 nm的拉曼后向散射通道进行海面检测以及海面、陆地的区分。该系统出色地完成50多个课题的海洋探测任务,其中佛罗里达新航道宾夕法尼亚的普利切岛和墨西哥育卡滩海域的探测任务,以及与超光谱探测设备进行复合,成功探测并识别到了海底沙子、珊瑚、泥浆、不同的水藻等物质,更加说明了SHOALS系统的探测能力优于传统探测方法。目前国外典型记载海洋激光雷达技术指标如表1所示。
Parameters Hawkeye Ⅲ(Leica) CZMIL (Optech) LADS HD (Fugro) Instrument image Measuring object Ocean & Land Ocean & Land Ocean Technique Multichannel simulation probe Multichannel simulation probe Simulation probe Wavelength 532 nm,1064 nm & 1550 nm 532 nm & 1064 nm 532 nm & 1064 nm Investigation depth 0.15-50 m 0.15-50 m 0.15-50 m Detecting precision 0.36 m (50 m) 0.36 m (50 m) 0.36 m (50 m) Detecting precision 10 kHz (Ocean) 500 kHz (Land) 10 kHz (Ocean) 70 kHz (Land) 3 kHz (Ocean) Aspect angle 40° 40° 30° Grid density 0.8 m×0.8 m (Ocean) 0.1 m×0.1 m (Land) 0.8 m×0.8 m (Ocean) 0.3 m×0.3 m (Land) 1.4 m×1.4 m (Ocean) SHOALS系统目前最新的CZMIL激光雷达(Coastal Zone Imaging and Mapping LIDAR),集成了数字摄像机、多光谱成像仪以及综合了测深及测绘激光雷达于一体,配备有数据获取及数据处理软件,具备优异的海洋测绘、地面测绘及目标识别的性能。该激光雷达扫描系统区别于传统的SHOALS系统中旋转反射镜的方式,创新性使用旋转的菲涅耳棱镜使激光束转向。CZMIL激光雷达光学系统中一个大视场进行深海探测,7个小视场进行测绘。7个小视场组成的大视场可用于中等深度的海水探测[9-10]。
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我国对于机载激光测深系统的研究始于20世纪90年代,当时中国海洋大学、中国科学院上海光学精密机械研究所、华中科技大学、中国科学院西安光学机所等单位进行了有关机载、船载激光海底地形地貌测绘的预研工作,提出了初步方案,进行了必要的试验工作,原理上证明了激光测深在我国沿岸海域是可行的[9]。
中国科学院上海光学精密机械研究在中科院重大项目的支持下,对激光测深项目进行了多年的研究,取得了很多关键技术的突破(见图1)。“九五”期间,研制成功我国第一台机载海洋测深激光系统,LADM-1 (第一代),系统采用重复频率为200 Hz的全固态激光器。在海水漫衰减系数为0.1 m−1时,水深测量能力达到50 m (见表2)。“十五”期间,与海军测绘研究所共同的研制的LADM-2 (第二代)机载激光测深系统,将技术指标进一步提高,并进行了海上试验,取得了比较满意的结果,系统具备扫描、高速数据采集存储、GPS精确定位功能(见表2)。该系统的研制成功,标志着我国的机载海洋测量技术步入世界先进国家行列[9, 11]2015年,Mapper-5000机载双频激光雷达( 第三代)工程样机研制成功, 在南海完成了3个架次的机载飞行试验,获得了海陆一体化的三维地形数据,新增的陆地通道提升了陆地测点密度(见表3),多通道接收和数据处理技术提升了浅水探测能力和海陆分类精度,并获得了海洋光学剖面信息(见图2)。
表 2 上海光学精密机械研究所研制三代机载激光雷达技术参数
Table 2. Parameters of the third airborne lidar system by Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics
Parameters LADM-Ⅰ LADM-Ⅱ Mapper-5000 Wavelength 1 064 nm & 532 nm 1 064 nm & 532 nm 1 550 nm,1 064 nm & 532 nm Repetition frequency 200 Hz 1 kHz 5 kHz Grid density 5 m×5 m 2.5 m×2.5 m 1 m×1 m (Ocean) 0.25 m×0.25 m (Land) Weight 300 kg 350 kg 98 kg 表 3 机载Mapper-5000 (第三代)双频激光雷达海陆技术指标
Table 3. Parameters of the airborne Mapper-5000 (the third) double frequency lidar
Parameters Ocean Land Wavelength 1 064 nm & 532 nm 1 550 nm Repetition frequency 5 kHz 100-400 kHz Grid density 1 m×1 m 0.25 m×0.25 m Scanned area ±15° ±30° Flight altitude 100-1 500 m Vertical accuracy 0.12 m Investigation depth 0.25-51 m Detecting precision 0.23 m Position accuracy 0.26 m Power dissipation 1.2 kW 中国海洋大学在国家科技攻关、863计划、自然科学基金等支持下,也先后自主研制完成多个海洋、海气边界层探测激光雷达系统,包括船载布里渊散射激光雷达、激光叶绿素荧光雷达、机载激光荧光雷达、机载海面溢油监测激光雷达等,研制了首个机载海洋生物与溢油监测荧光激光雷达、我国第一套高光谱分辨率激光雷达。此外,哈尔滨工业大学、武汉大学、北京理工大学、浙江大学等单位也做了很多相关工作[9]。
近年来,国际上机载海洋测深系统逐步由军用转向民用,向多功能机载海洋光学雷达发展,加强了激光在海水传输中散射波形的研究,包含了诸如海水成分、叶绿素、泥沙含量、鱼群和浮游生物等更多宝贵的信息获取[4-8]。可以预见,未来的机载激光海洋遥感手段将使人类对海洋有着更深入、更本质的了解。
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海洋激光探测与其他激光探测最重要的区别在于激光与纯水的相互作用。1939~1974年间,Clarke、James、Sullivan和Morel等完成了实测透射率和衰减系[4, 7],以及纯水的理论散射系数。这些结果可以作为纯水的衰减参考依据,观测的结果表明蓝光具有更大的穿透性,而红光衰减最强。波段从580~600 nm,透射率出现显著下降。衰减率与散射率的比较,证明衰减主要是吸收效应。由于选择性吸收,水实质上相当于一个吸收最大值出现在750~760 nm的蓝光单色仪。
海水中的悬浮粒子、浮游生物和溶解有机物对光学信道的散射有强烈的影响,1975年J.D.Jackson给出了在纯水分子吸收影响下的光谱衰减曲线(图3)[12],结果表明纯水的最小吸收波段在460~490 nm的蓝绿波段。1976年,N.G.Jerlov借助于高太阳高度时下行辐照度,提出了一套将大洋水进行分类的方案,用于区别不同类型的水。根据实测数据,按照海水的吸收,散射特性将水质划分为JerlovⅠ、ⅠA、ⅠB、ⅠC、Ⅱ、Ⅲ、3C、5C、7C、9C十类水质[13]。P.Lacovara在2008年给出了在悬浮颗粒、浮游生物和溶解有机物影响下的光谱衰减曲线,这些物质在蓝绿波段造成的散射最小[12-13]。
总体来说,海洋激光探测与其他激光探测的特点如表4所示,主要区别:
表 4 星载海洋探测激光雷达特点
Table 4. Features of spaceborne ocean lidar
Target of detection Theory Repeated frequency Single pulse energy SNR Frequency stability Forest Height measurement High Lesser Esser General Mapping Height measurement Highest Lesser Esser General Aerosol Back scattering General Biggish Biggish General Atmospheric composition Differential absorption General Biggish Biggish Biggish Wind field Doppler General Biggish Biggish Maximum Ocean Back scattering General Maximum Maximum Maximum (1)采用高峰值功率脉冲激光器,激光波长具有更好的海水透过率和更低的背景光,提升探测深度和抗干扰能力;
(2)采用扫描方式而不是阵列,能量集中用于提升探测深度和探测信噪比;
(3)采用高灵敏度模拟探测和全波形采样技术,需要连续剖面和波形信息;
(4)采用直接探测和间接探测综合的方法,激光海水的穿透深度受限,发展多技术综合方法能够实现更高的性能。
Research on the development of the detection satellite technology in oceanographic lidar
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摘要: 从国家海洋战略需求出发,对我国发展海洋激光雷达必要性进行分析,对海洋激光雷达的特点,以及国内外发展情况进行梳理;分析了目前国内外激光雷达建设规划与已发射星载激光雷达的情况,提出未来星载海洋激光雷达的发展方向,以及在轨预期数据应用产品,讨论了星载海洋激光雷达关键技术,给出了“十四五”期间海洋激光雷达的发展前景。Abstract: Started with needs of the national marine strategy, the necessity of China’s oceanographic lidar developing was analyzed, the characteristics and domestic overseas’ development of the oceanographic lidar were summarized; the oceanographic lidar current construction and planning at home and abroad and the launched spaceborne lidar’s situation were analyzed, the future spaceborne ocean lidar’s development direction was put forward and on-orbit data application product was expected, the key technology of the spaceborne ocean lidar was discussed, the application prospect of developing the oceanographic lidar during the 14th five year plan oceanographic was given.
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Key words:
- oceanographic lidar /
- ocean detection /
- spaceborne lidar /
- oceanremotesensing
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Parameters Hawkeye Ⅲ(Leica) CZMIL (Optech) LADS HD (Fugro) Instrument image Measuring object Ocean & Land Ocean & Land Ocean Technique Multichannel simulation probe Multichannel simulation probe Simulation probe Wavelength 532 nm,1064 nm & 1550 nm 532 nm & 1064 nm 532 nm & 1064 nm Investigation depth 0.15-50 m 0.15-50 m 0.15-50 m Detecting precision 0.36 m (50 m) 0.36 m (50 m) 0.36 m (50 m) Detecting precision 10 kHz (Ocean) 500 kHz (Land) 10 kHz (Ocean) 70 kHz (Land) 3 kHz (Ocean) Aspect angle 40° 40° 30° Grid density 0.8 m×0.8 m (Ocean) 0.1 m×0.1 m (Land) 0.8 m×0.8 m (Ocean) 0.3 m×0.3 m (Land) 1.4 m×1.4 m (Ocean) 表 2 上海光学精密机械研究所研制三代机载激光雷达技术参数
Table 2. Parameters of the third airborne lidar system by Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics
Parameters LADM-Ⅰ LADM-Ⅱ Mapper-5000 Wavelength 1 064 nm & 532 nm 1 064 nm & 532 nm 1 550 nm,1 064 nm & 532 nm Repetition frequency 200 Hz 1 kHz 5 kHz Grid density 5 m×5 m 2.5 m×2.5 m 1 m×1 m (Ocean) 0.25 m×0.25 m (Land) Weight 300 kg 350 kg 98 kg 表 3 机载Mapper-5000 (第三代)双频激光雷达海陆技术指标
Table 3. Parameters of the airborne Mapper-5000 (the third) double frequency lidar
Parameters Ocean Land Wavelength 1 064 nm & 532 nm 1 550 nm Repetition frequency 5 kHz 100-400 kHz Grid density 1 m×1 m 0.25 m×0.25 m Scanned area ±15° ±30° Flight altitude 100-1 500 m Vertical accuracy 0.12 m Investigation depth 0.25-51 m Detecting precision 0.23 m Position accuracy 0.26 m Power dissipation 1.2 kW 表 4 星载海洋探测激光雷达特点
Table 4. Features of spaceborne ocean lidar
Target of detection Theory Repeated frequency Single pulse energy SNR Frequency stability Forest Height measurement High Lesser Esser General Mapping Height measurement Highest Lesser Esser General Aerosol Back scattering General Biggish Biggish General Atmospheric composition Differential absorption General Biggish Biggish Biggish Wind field Doppler General Biggish Biggish Maximum Ocean Back scattering General Maximum Maximum Maximum -
[1] 蒋兴伟, 林明森, 张有广. 中国海洋卫星及应用进展[J]. 遥感学报, 2016, 20(5): 1185-1198. Jiang Xingwei, Lin Mingsen, Zhang Youguang. Progress and prospect of Chinese ocean satellites [J]. Journal of Remote Sensing, 2016, 20(5): 1185-1198. (in Chinese [2] 林明森, 何贤强, 贾永君, 等. 中国海洋卫星遥感技术进展[J]. 海洋学报, 2019, 41(10): 99-112. Lin Mingsen, He Xianqiang, Jia Yongjun, et al. Advances in marine satellite remote sensing technology in China [J]. Acta Oceanologica Sinica, 2019, 41(10): 99-112. (in Chinese [3] 蒋兴伟, 何贤强, 林明森, 等. 中国海洋卫星遥感应用进展[J]. 海洋学报, 2019, 41(10): 113-124. Jiang Xingwei, He Xianqiang, Lin Mingsen, et al. Progresses on ocean satellite remote sensing application in China [J]. Acta Oceanologica Sinica, 2019, 41(10): 113-124. (in Chinese [4] Jamet Cedric, Ibrahim Amir, Ahmad Ziauddin, et al. Going beyond standard ocean color observations: Lidar and polarimetry [J]. Frontiers in Marine Science, 2019, 6: 1-24. doi: 10.3389/fmars.2019.00001 [5] Michael R Roddewig, James H Churnside, Joseph A Shaw. 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