海洋激光雷達(dá)探測衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展

文｜衛(wèi)達(dá) 王智新 潘海華 陳曉明 王國慶

海洋戰(zhàn)略的發(fā)展水平是綜合國力的重要決定性因素之一，應(yīng)該立足于海洋戰(zhàn)略需求的角度，綜合分析海洋激光雷達(dá)的基本特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)勢，針對現(xiàn)存的實(shí)際問題，制定科學(xué)完善的解決方案，重點(diǎn)落實(shí)海洋激光雷達(dá)探測衛(wèi)星技術(shù)研究工作，明確未來星載海洋激光雷達(dá)探測衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展方向。同時(shí)，認(rèn)真研究技術(shù)相關(guān)的在軌預(yù)期數(shù)據(jù)應(yīng)用產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)對海洋區(qū)域次表層參數(shù)信息的獲取，達(dá)到大范圍觀測海洋物理化學(xué)及生物參數(shù)的目的，不斷提升深層變化遙感探測水平，為國內(nèi)自主海洋衛(wèi)星遙感技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用提供助力。

一、引言

國內(nèi)十分重視海洋衛(wèi)星遙感技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)不斷加強(qiáng)對衛(wèi)星海洋應(yīng)用發(fā)展的關(guān)注。在長期發(fā)展的過程中，關(guān)鍵海洋激光雷達(dá)探測衛(wèi)星技術(shù)得到創(chuàng)新和改進(jìn)，逐步形成健全高效的海洋動(dòng)環(huán)境、海洋水色監(jiān)測系統(tǒng)，為海洋事業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展提供充足動(dòng)力。

二、海洋激光雷達(dá)探測衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

針對國內(nèi)的機(jī)載激光測深系統(tǒng)而言，于20世紀(jì)90年代開始研發(fā)，相關(guān)工作由多個(gè)單位及部門參與，制定了相應(yīng)的初步研發(fā)方案，并配合落實(shí)了有關(guān)試驗(yàn)工作，立足于原理的層面進(jìn)行分析，此項(xiàng)研究能夠在我國沿岸海域進(jìn)行投入使用。中科院給予中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究很多重大項(xiàng)目支持，為激光測深項(xiàng)目的多年研發(fā)奠定良好基礎(chǔ)，在多個(gè)方面得到技術(shù)突破。國內(nèi)第一臺(tái)機(jī)載海洋測深激光系統(tǒng)于“九五”期間研制成功，重復(fù)頻率為200Hz的全固態(tài)激光器為系統(tǒng)的核心應(yīng)用，并且，在海水漫衰減系數(shù)為0.1m-1的情況下，其水深測量能力可以達(dá)到50m。而LADM-2（第二代）機(jī)載激光測深系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)得到進(jìn)一步提升，總結(jié)分析海上試驗(yàn)結(jié)果，得到很高的滿意度，此系統(tǒng)能夠針對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速采集、掃描及存儲(chǔ)，且擁有GPS精確定位功能, LADM-2（第二代）機(jī)載激光測深系統(tǒng)是國內(nèi)機(jī)載海洋測量技術(shù)國際化發(fā)展的重要標(biāo)志。此外，Mapper-5000 機(jī)載雙頻激光雷達(dá) ( 第三代)工程樣機(jī)的研制提高了潛水探測能力，同時(shí)強(qiáng)化了海陸分類精度，有助于獲取更加精確、全面的海洋光學(xué)剖面信息。

三、海洋星載激光雷達(dá)技術(shù)產(chǎn)品類型及應(yīng)用原理

（一）海洋次表層光學(xué)參數(shù)探測技術(shù)原理

通過應(yīng)用海洋激光雷達(dá)，有助于實(shí)現(xiàn)對水下剖面散射層信息的獲取，此類散射層多數(shù)為多細(xì)胞或者單一細(xì)胞浮游植物，同時(shí)還涉及一些直徑1mm以上的單個(gè)非球型藻類細(xì)胞。其中多細(xì)胞非球型藻類細(xì)胞群落的尺寸相對較大，主體結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出很強(qiáng)的復(fù)雜性，在個(gè)體細(xì)胞的作用下，入射的光子會(huì)產(chǎn)生光學(xué)高階散射。利用海洋激光雷達(dá)能夠探測以上水下散射層信息，浮游植物與高濃度營養(yǎng)物質(zhì)構(gòu)成的稀薄層是散射層中的重要組成部分，稀薄層的厚度通常為10cm左右，但是能夠在實(shí)際海洋的次表層結(jié)構(gòu)中延伸數(shù)千米的距離，多數(shù)能夠持續(xù)多天，此種現(xiàn)象與海洋密度躍層之間存在密切關(guān)系。同時(shí)，此類集中層會(huì)給海洋上層的地球生物化學(xué)過程帶來不同程度的影響，主要包含形成有害藻類等，且能夠?qū)Ｑ蟪跫?jí)生產(chǎn)力造成一定影響。因此，采用分析正交偏振激光雷達(dá)的回波退偏情況，有利于完成魚群分布、海水中粒子、浮游植物等多元化信息的獲取。此外，高光譜激光雷達(dá)技術(shù)，能夠有效區(qū)分大氣中存在的氣溶膠與分子散射信號(hào)，可以將此種技術(shù)的應(yīng)用原理運(yùn)用到海洋探測中，能夠得到海水衰減及后向散射系數(shù)，獲得良好的探測效果。

（二） 葉綠素濃度探測技術(shù)基本特點(diǎn)與原理

立足于海洋光學(xué)的層面進(jìn)行分析，在每個(gè)浮游植物細(xì)胞中存在的光合作用色素可以降低CO2含量，或者將CO2固化成為有機(jī)碳，并且能夠完成太陽能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，伴隨產(chǎn)生一定量的CO2。浮游植物細(xì)胞含有的光合色素中，含有葉綠素a、輔助色素葉綠素b以及葉綠素c，同時(shí)還包含光合的類胡蘿卜素。因?yàn)閷τ诟∮沃参飦碚f，葉綠素a是唯一的光合色素，所以為浮游植物豐度及生物量的測量提供了有效方法，有利于簡化探測流程。葉綠素a體現(xiàn)出很強(qiáng)的特殊性，在發(fā)射光譜方面有明顯體現(xiàn)，即熒光峰在683nm左右出現(xiàn)，衛(wèi)星能夠監(jiān)測浮游植物在熒光峰處激發(fā)的輻射熒光。由此可見，在海洋中應(yīng)用藍(lán)綠激光，可以讓海水中浮游植物含有的葉綠素a得到激發(fā)，進(jìn)而在熒光峰處出現(xiàn)紅色熒光，為海水中葉綠素a柱濃度的分析提供合理依據(jù)，并且，海面溢油情況也可以通過647nm左右喇曼回波獲取。

（三）海洋溫度剖面探測技術(shù)基本特點(diǎn)與原理

針對海洋水體非彈性散射信號(hào)而言，可以利用海洋激光雷達(dá)完成探測，進(jìn)而獲得海洋剖面溫度，此項(xiàng)技術(shù)屬于先進(jìn)科學(xué)技術(shù)之一。當(dāng)激光束攝入海洋中時(shí)，能夠與水中的聲子發(fā)生相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生布里淵頻移。而將532nm的綠色激光射入純水中，會(huì)產(chǎn)生窄帶的7.5GHz頻移，此種情況下，可以利用激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對光路鑒頻器的接收，有利于明確水中的聲速，且能夠保證探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合對海中壓強(qiáng)及鹽度信息的分析，有助于得到較為精確的海水剖面溫度，可見，將海洋激光雷達(dá)探測衛(wèi)星技術(shù)運(yùn)用在海洋溫度剖面探測方面，能得到顯著的探測成效，同時(shí)，保證探測數(shù)據(jù)的可靠性。

（四）海水深度和海冰高程探測技術(shù)基本特點(diǎn)與原理

利用海洋激光雷達(dá)探測衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行海冰高程探測及海水深度探測時(shí)，原理與測高激光雷達(dá)相似，運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)的過程中，能夠得到海冰、陸地、海底等多項(xiàng)回波信號(hào)，為了明確激光脈沖到陸地、海冰回波信號(hào)的時(shí)間延遲，應(yīng)該利用脈沖整形和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行測量，同時(shí)，能夠用于實(shí)現(xiàn)陸地和瞬時(shí)海冰斜程的測量。通過對高速AD采樣激光海冰反射、穿透海水后的后向散射及海底回波信號(hào)完整波形的利用，結(jié)合專業(yè)計(jì)算方法和公式，可以分離海表和海底的回波波形與水體散射波形，進(jìn)而準(zhǔn)確獲取回波時(shí)間延遲，得到海底斜程?？偨Y(jié)分析海洋激光雷達(dá)探測衛(wèi)星技術(shù)的以上應(yīng)用，可知此項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用能夠得到相對準(zhǔn)確的海表粗糙度及海冰高程等重要數(shù)據(jù)信息。

（五）魚群及浮游動(dòng)物群落探測技術(shù)基本原理

聲吶技術(shù)在漁業(yè)資源調(diào)查中得到廣泛應(yīng)用，針對范圍較大的潛水區(qū)進(jìn)行探測的過程中，海洋激光雷達(dá)可以將氣海界面穿透，進(jìn)而了解與掌握實(shí)際的魚群及浮游動(dòng)物群落分布，體現(xiàn)出很強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢，包含空間分辨率高及測量速度快等。部分領(lǐng)域內(nèi)的專家學(xué)者針對北墨西哥灣內(nèi)的飛魚進(jìn)行實(shí)際分布情況探測，通過利用FLOE系統(tǒng)進(jìn)行觀測，配合分析MODIS數(shù)據(jù)，得到相對可靠的探測結(jié)果，即在葉綠素濃度較低的暖水區(qū)域內(nèi)，飛魚的活躍度較高。對于FLOE系統(tǒng)來說，經(jīng)過長期的運(yùn)用已經(jīng)得到有效改進(jìn)與創(chuàng)新，內(nèi)部安裝了高清攝像機(jī)，有利于強(qiáng)化探測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性?；趯ξ磥戆l(fā)展方向的分析，可以加強(qiáng)與微小尺度物理海洋觀測技術(shù)的結(jié)合，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對激光回波的有效分析，有利于達(dá)到提高激光雷達(dá)遙感探測精度的目的。

四、激光雷達(dá)探測衛(wèi)星技術(shù)的要點(diǎn)與主要發(fā)展方向

海洋的整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，且對于海洋次表層結(jié)構(gòu)參數(shù)來說，通常需要相互耦合，以布里淵溫度測量為例，主要的影響因素包含鹽度的耦合。為了強(qiáng)化參數(shù)提取及分析等工作的有效性，應(yīng)該加大深度研究力度，強(qiáng)化探測方案的可行性，在此基礎(chǔ)上，保證探測指標(biāo)要求的合理性及與應(yīng)用產(chǎn)品的契合性。

五、結(jié)語

海洋是生態(tài)系統(tǒng)中的重要構(gòu)成資源，為了強(qiáng)化對海洋資源的利用與保護(hù)，應(yīng)該重視對海洋激光雷達(dá)探測技術(shù)的合理運(yùn)用，有利于強(qiáng)化海洋高精度次表層參數(shù)探測的可行性。為此，需要加大相關(guān)技術(shù)原理及要點(diǎn)分析力度，明確各類技術(shù)的應(yīng)用注意事項(xiàng)及適用范圍，充分發(fā)揮海洋激光雷達(dá)探測衛(wèi)星技術(shù)的實(shí)際效用，全方位體現(xiàn)此類技術(shù)應(yīng)用的規(guī)范性、標(biāo)準(zhǔn)化，推動(dòng)海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的落實(shí)，不斷提升海洋探索水平。