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星载海洋激光雷达最佳工作波长分析

刘群 刘崇 朱小磊 周雨迪 乐成峰 白剑 贺岩 毕德仓 刘东

刘群, 刘崇, 朱小磊, 周雨迪, 乐成峰, 白剑, 贺岩, 毕德仓, 刘东. 星载海洋激光雷达最佳工作波长分析[J]. 中国光学, 2020, 13(1): 148-155. doi: 10.3788/CO.20201301.0148
引用本文: 刘群, 刘崇, 朱小磊, 周雨迪, 乐成峰, 白剑, 贺岩, 毕德仓, 刘东. 星载海洋激光雷达最佳工作波长分析[J]. 中国光学, 2020, 13(1): 148-155. doi: 10.3788/CO.20201301.0148
LIU Qun, LIU Chong, ZHU Xiao-lei, ZHOU Yu-di, LE Cheng-feng, BAI Jian, HE Yan, BI De-cang, LIU Dong. Analysis of the optimal operating wavelength of spaceborne oceanic lidar[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 148-155. doi: 10.3788/CO.20201301.0148
Citation: LIU Qun, LIU Chong, ZHU Xiao-lei, ZHOU Yu-di, LE Cheng-feng, BAI Jian, HE Yan, BI De-cang, LIU Dong. Analysis of the optimal operating wavelength of spaceborne oceanic lidar[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 148-155. doi: 10.3788/CO.20201301.0148

星载海洋激光雷达最佳工作波长分析

doi: 10.3788/CO.20201301.0148
基金项目: 

国家重点研发计划 No.2016YFC1400900

国家自然科学基金 No.41775023

详细信息
    作者简介:

    刘群(1991-), 女, 山东济南人, 博士研究生, 2015年于浙江大学获得学士学位, 主要从事星载海洋激光雷达方面的研究E-mail:3110101383@zju.edu.cn

    刘崇(1978—),男,河南南阳人,博士,教授,2000年,2007年于浙江大学分别获得学士、博士学位,主要从事固体激光技术、激光雷达和光学检测等方面的研究。E-mail: chongliu78@ hotmail.com

  • 中图分类号: TN958.98

Analysis of the optimal operating wavelength of spaceborne oceanic lidar

Funds: 

Supported by the National Key Research and Development Program of China No.2016YFC1400900

National Natural Science Foundation of China No.41775023

More Information
  • 摘要: 星载激光雷达是实现海洋垂直剖面探测的有效工具,也是目前迫切需求的海洋光学遥感手段。对星载海洋激光雷达的波长参数进行评估对保证探测有效性具有重要意义。本文从探测深度和信噪比两方面分析了星载海洋激光雷达探测全球海洋的最佳波长。利用MODIS 10个波段的水体光学特性数据,估算全球海水探测深度及相应的最优波长;并根据太阳夫琅禾费暗线特性,对信号信噪比进行优化。结果表明:在探测深度方面,最优探测波长在488 nm波段的海洋占全球海洋面积的70%左右,并且全球95%以上的海域在488 nm波段的探测深度优于0.8倍的真光层深度;在信噪比方面,相对于488 nm波段,486.134 nm夫琅禾费暗线处采用0.1 nm带宽的滤光片可以将背景光强度降低70%,相应地回波信噪比整体提升了约5.0%。就全球海洋探测来说,使用486.134 nm作为探测波长可以提高探测深度,有效抑制太阳背景光,提高信噪比,因此,486.134 nm是星载海洋激光雷达的最佳工作波长。
  • 图  1  星载激光雷达海洋探测深度(a)和所对应的最佳探测波长的全球分布(b)

    Figure  1.  (a) Ocean detection depth of spaceborne lidar and (b) global distribution of corresponding optimal operating wavelengths

    图  2  年平均海洋真光层深度的全球分布

    Figure  2.  Global distribution of the annual mean ocean euphotic depth

    图  3  (a) 488 nm波段和(b) 531 nm波段探测深度与真光层深度之比

    Figure  3.  The statistical distribution of (a) Zmax@488 nm/Zeu and (b) Zmax@531 nm/Zeu

    图  4  H-β夫琅禾费暗线附近的归一化太阳光谱强度

    Figure  4.  Normalized intensity of solar spectrum near the H-β Fraunhofer line

    图  5  太阳背景光抑制比R与滤光片带宽Δλ之间的关系

    Figure  5.  Relationship between the bandwidth Δλ of filter and suppression ratio R of solar background light

    图  6  不同噪声水平下3种典型水体的信噪比和深度之间的关系

    Figure  6.  Relationship between SNR and depth of three typical types of seawater at two different noise levels

    表  1  星载海洋激光雷达系统参数[11, 20]

    Table  1.   Parameters of spaceborne oceanic lidar system[11, 20]

    参数
    卫星高度H/km 400
    单脉冲激光能量E0/J 1.3
    采样频率f/MHz 200
    望远镜口径D/m 1.5
    接收视场角FOV/mard 0.15
    滤光片带宽Δλ/nm 0.1
    海水折射率n 1.33
    探测器量子效率η 0.5
    光学系统透过率k 0.9
    海面透过率Ts 0.98
    大气透过率Ta 0.6
    太阳光谱辐亮度Ib 1.4 W·m-2·nm-1·sr-1
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    表  2  3种典型海水的光学特性参数[21-22]

    Table  2.   Optical properties of three typical types of seawater[21-22]

    海水类型 光学特性参数
    a
    (m-1)
    b
    (m-1)
    βπ
    (m-1 ·sr-1)
    bb
    (m-1 ·sr-1)
    清洁大洋 0.114 0.037 0.870 8 0.001 63
    近岸水体 0.179 0.219 0.947 0 0.002 85
    浑浊海港 0.366 1.824 0.919 9 0.036 48
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-26
  • 修回日期:  2019-04-30
  • 刊出日期:  2020-02-01

星载海洋激光雷达最佳工作波长分析

doi: 10.3788/CO.20201301.0148
    基金项目:

    国家重点研发计划 No.2016YFC1400900

    国家自然科学基金 No.41775023

    作者简介:

    刘群(1991-), 女, 山东济南人, 博士研究生, 2015年于浙江大学获得学士学位, 主要从事星载海洋激光雷达方面的研究E-mail:3110101383@zju.edu.cn

    刘崇(1978—),男,河南南阳人,博士,教授,2000年,2007年于浙江大学分别获得学士、博士学位,主要从事固体激光技术、激光雷达和光学检测等方面的研究。E-mail: chongliu78@ hotmail.com

  • 中图分类号: TN958.98

摘要: 星载激光雷达是实现海洋垂直剖面探测的有效工具,也是目前迫切需求的海洋光学遥感手段。对星载海洋激光雷达的波长参数进行评估对保证探测有效性具有重要意义。本文从探测深度和信噪比两方面分析了星载海洋激光雷达探测全球海洋的最佳波长。利用MODIS 10个波段的水体光学特性数据,估算全球海水探测深度及相应的最优波长;并根据太阳夫琅禾费暗线特性,对信号信噪比进行优化。结果表明:在探测深度方面,最优探测波长在488 nm波段的海洋占全球海洋面积的70%左右,并且全球95%以上的海域在488 nm波段的探测深度优于0.8倍的真光层深度;在信噪比方面,相对于488 nm波段,486.134 nm夫琅禾费暗线处采用0.1 nm带宽的滤光片可以将背景光强度降低70%,相应地回波信噪比整体提升了约5.0%。就全球海洋探测来说,使用486.134 nm作为探测波长可以提高探测深度,有效抑制太阳背景光,提高信噪比,因此,486.134 nm是星载海洋激光雷达的最佳工作波长。

English Abstract

刘群, 刘崇, 朱小磊, 周雨迪, 乐成峰, 白剑, 贺岩, 毕德仓, 刘东. 星载海洋激光雷达最佳工作波长分析[J]. 中国光学, 2020, 13(1): 148-155. doi: 10.3788/CO.20201301.0148
引用本文: 刘群, 刘崇, 朱小磊, 周雨迪, 乐成峰, 白剑, 贺岩, 毕德仓, 刘东. 星载海洋激光雷达最佳工作波长分析[J]. 中国光学, 2020, 13(1): 148-155. doi: 10.3788/CO.20201301.0148
LIU Qun, LIU Chong, ZHU Xiao-lei, ZHOU Yu-di, LE Cheng-feng, BAI Jian, HE Yan, BI De-cang, LIU Dong. Analysis of the optimal operating wavelength of spaceborne oceanic lidar[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 148-155. doi: 10.3788/CO.20201301.0148
Citation: LIU Qun, LIU Chong, ZHU Xiao-lei, ZHOU Yu-di, LE Cheng-feng, BAI Jian, HE Yan, BI De-cang, LIU Dong. Analysis of the optimal operating wavelength of spaceborne oceanic lidar[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 148-155. doi: 10.3788/CO.20201301.0148
    • 海洋占地球面积的70%以上,是地球上最大的生态系统[1]。海洋次表层特别是真光层,是浮游生物分布和海气能量交换的主要区域。对海洋次表层的光学特性进行高精度探测对研究海洋生命系统、理解海洋在气候变化中的作用尤其重要。目前海洋光学观测手段主要有原位探测和水色遥感两种:原位探测虽然可以获得次表层海水的光学剖面信息,但这种探测方式的空间覆盖率和可控性有待进一步提高;水色遥感虽然在海洋二维观测中已发挥了非常重要的作用[2],但其无法提供垂直剖面信息[3]。由于星载海洋激光雷达能探测次表层水体的垂直结构,可以实现海洋遥感从二维平面到垂直剖面观测[3],故发展星载海洋激光雷达技术是提高海洋观测水平的重要手段,也是目前国内外海洋遥感领域的迫切需求和研究热点。

      近年来,星载正交偏振的云-气溶胶激光雷达(Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization, CALIOP)在获取海洋次表层生物数据等方面的成功应用[4-5],给海洋次表层垂直结构的观测带来了新的曙光,使得星载海洋激光雷达受到国内外海洋遥感领域越来越多的关注[3]。但CALIOP是为探测大气设计的,其垂直分辨率(22.4 m)远远达不到海洋探测的需求[6]。青岛海洋科学与技术国家实验室于2017年提出了“观澜号”海洋科学卫星计划,并设计了一个星载海洋激光雷达载荷[7]。同时,我国航天科工集团、国家海洋局等单位也在积极规划星载海洋激光雷达相关任务。星载激光雷达的研制需要巨大的人力物力,并需要很长的时间周期,在前期对其系统参数进行充分的研究和论证是保证硬件系统切实可行的必要条件。

      工作波长是星载激光雷达的一个重要系统参数。激光器稳定、成熟且易于小型化,并有较好的水体穿透深度。532 nm是当前海洋激光雷达的常用探测波长,如美国宇航局(NASA)[8]、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)[9]和中国浙江大学[10]等先后研制出工作于532 nm波长能够提供廓线信息的机载和船载海洋激光雷达系统。虽然532 nm波长在近岸水体中有比较好的穿透深度,然而在清澈大洋水中的穿透能力有限。研究表明,近岸水体的最优探测波长偏向绿光,而远洋水体则偏向蓝光[11]。本文从探测深度和信噪比两方面分析了星载海洋激光雷达探测全球海洋的最佳波长。利用MODIS 10个波段的水体光学参数数据,估算全球海水探测深度及相应的波长,得到最佳探测波段;并根据太阳夫琅禾费暗线特性,对信号信噪比进行优化,确定了星载激光雷达的最佳工作波长。本文研究为星载海洋激光雷达系统的研制提供了理论依据。

    • 星载海洋激光雷达是通过发射脉冲激光,接收大气和海水的后向散射信号来获取光学参数的垂直剖面信息的。激光脉冲通过与大气中的云、气溶胶、大气分子等的相互作用,传播到海水中,与海水中的颗粒和分子等发生吸收和散射作用,部分后向散射的光再经过大气回到雷达的探测器,从而形成后向散射回波信号。激光雷达利用飞行时间法来确定回波信号的距离信息,从而得到有距离分辨率的垂直剖面信号。海洋激光雷达方程可以表示为[12-13]:

      (1)

      其中E0为发射激光脉冲能量,A为望远镜的接收面积,Ta为大气透过率,Ts为海面透过率,k为光学系统的透过率,η为光电探测器的量子效率,n为海水的折射率,v为真空中的光速,Δt为采样时间间隔,H为雷达的轨道高度,z为水中的深度,ħ和v分别为普朗克常数和激光频率,βπ为180°后向散射系数,klidar为雷达有效衰减系数。其中,klidar的值决定了激光雷达的探测深度,一般情况下激光雷达的有效探测深度为3个光学厚度(光学厚度为雷达有效衰减系数klidar与深度z的乘积)[3],即:

      (2)

      对于星载激光雷达来说,由于望远镜在水面的接收半径有几十米大,因此回波信号受水体多次散射效应的影响非常强,klidar约等于水体漫射衰减系数Kd[14]Kd与水体固有光学参数之间有如下关系[15]

      (3)

      其中a为海水的光束吸收系数,bb为光束后向散射系数。MODIS的年平均海洋光学产品提供了abb的全球分布数据,利用式(2)和式(3)即可得到海洋激光雷达探测深度的全球分布情况。

    • 利用2.1节所述的星载激光雷达探测深度的计算方法,基于MODIS的年平均数据产品,本文对星载海洋激光雷达的全球海洋探测深度进行了计算。所用数据为MODIS Level 3 2017年的年平均数据产品,包括10个波段(412、443、469、488、531、547、555、645、667和678 nm)的后向散射系数bb和吸收系数a,所有数据的水平分辨率为4 km。通过对MODIS 10个波段探测深度的比较,得出了海洋探测深度和其所对应的最佳探测波长的全球分布,如图 1(彩图见期刊电子版)所示。

      图  1  星载激光雷达海洋探测深度(a)和所对应的最佳探测波长的全球分布(b)

      Figure 1.  (a) Ocean detection depth of spaceborne lidar and (b) global distribution of corresponding optimal operating wavelengths

      图 1中可以看出,探测深度与所对应的探测波长具有明显的空间分布特性。赤道两侧的低纬度清澈大洋的探测深度较大,约在100 m以上,最佳探测波长偏蓝光波段;近岸海域和靠近两极的水体由于浑浊度较高,探测深度较小,总体约在40 m以内,近岸水体最佳探测波长偏绿光波段。综合来看,最佳探测波长为488 nm波段的海域面积最大,占全球海洋总面积的70%左右。星载激光雷达的探测需要兼顾全球海洋,因此488 nm是最合适的工作波段。

      真光层是海洋生态系统中光合作用最活跃的区域,海洋中广泛存在的浮游植物叶绿素最大层通常分布在真光层以内[16-17],因此真光层的探测对评价净初级生产力和浮游植物生物量具有重要意义。通常,真光层深度是指1%表面光强的深度[18]图 2(彩图见期刊电子版)给出了2017年平均海洋真光层深度的全球分布情况,数据来源于MODIS Level 3年平均海洋数据产品。真光层深度随纬度变化明显,在低纬度大洋水中,真光层深度最大可达250 m,近岸以及极地海域深度较浅。

      图  2  年平均海洋真光层深度的全球分布

      Figure 2.  Global distribution of the annual mean ocean euphotic depth

      为了对比全球最佳探测波段488 nm和激光雷达常用波段532 nm的探测深度与真光层深度Zeu之间的差距,利用MODIS年平均真光层数据产品,计算了488 nm波段探测深度与真光层深度之比Zmax@488 nm/Zeu和531 nm波段探测深度与真光层深度之比Zmax@531 nm/Zeu。因为MODIS Level 3 2017年的10个海洋探测波段中没有532 nm,所以利用531 nm波段的数据来代替。将这两个比值的大小分为7段(分别为小于0.5、0.5~0.6、0.6~0.7、0.7~0.8、0.8~0.9、0.9~1.0和大于1.0),统计每个比值段内的海洋面积占全球海洋面积的比例,如图 3所示。从中可以看出,488 nm波段探测深度与真光层深度之比在0.8以上的海洋面积占全球海洋总面积的95.17%,而在531 nm波段该比例只有21.17%。这说明就全球海洋探测来说,488 nm波段的探测深度较531 nm波段更接近于真光层深度。利用488 nm波段作为星载海洋激光雷达的探测波长,能更有效地探测全球海洋真光层深度内的光学特性,从而有利于评估全球海洋的浮游植物生物量和净初级生产力。

      图  3  (a) 488 nm波段和(b) 531 nm波段探测深度与真光层深度之比

      Figure 3.  The statistical distribution of (a) Zmax@488 nm/Zeu and (b) Zmax@531 nm/Zeu

    • 前一节的分析得出488 nm波段在探测深度上具有明显的优势,更适合作为星载激光雷达的工作波长。由于486.134 nm(H-β吸收线)是距离488 nm波段最近的太阳光谱夫琅禾费暗线(如图 4所示)[19],如果将工作波长选在486.134 nm的位置,则可以利用太阳光谱在夫琅禾费暗线处能量较弱的特点,有效地降低来自太阳的背景噪声,从而提高信噪比,并进一步提高探测深度。

      图  4  H-β夫琅禾费暗线附近的归一化太阳光谱强度

      Figure 4.  Normalized intensity of solar spectrum near the H-β Fraunhofer line

    • H-β太阳光谱夫琅禾费暗线的带宽约为0.1 nm (如图 4所示),因此雷达系统中窄带滤波器的带宽也应在0.1 nm左右,才能对太阳背景光有较好的抑制。假设滤光片为理想的带通滤光片,其带宽为Δλ,定义太阳背景光抑制比R为:

      (4)

      其中I0(λ)和I1(λ)分别为波长λ0λ1附近的太阳光谱强度。计算中λ0λ1分别取486.1 34 nm和488 nm,因此该抑制比R的值代表486.134 nm波段的太阳背景光强度相对于488 nm波段太阳背景光强度的百分比。图 5为抑制比R随滤光片带宽Δλ的变化趋势。可以看出,486.134 nm波段的太阳背景光强度随窄带滤光片带宽的增大而增强;当滤光片带宽为0.1 nm时,486.134 nm波段的太阳背景光强度减少至488 nm波段的30%左右。

      图  5  太阳背景光抑制比R与滤光片带宽Δλ之间的关系

      Figure 5.  Relationship between the bandwidth Δλ of filter and suppression ratio R of solar background light

    • 将星载海洋激光雷达的工作波长选在486.134 nm的H-β太阳光谱夫琅禾费暗线处,并选择合适的滤光片以抑制太阳背景噪声,提高信噪比。激光雷达接收到的背景光电子数Nb可以表示为[13]:

      (5)

      其中,Ib为大气和水面反射的太阳光谱的辐亮度,φ为望远镜的接收视场角。根据海洋激光雷达回波信号的光电子数Ns(z)和背景光电子数Nb,信噪比SNR(z)可表示为[13]

      (6)

      其中m为累积脉冲数。

      根据表 1中给出的星载激光雷达典型系统参数,其中滤光片带宽取0.1 nm,对清洁大洋、近岸水体和浑浊海港这3种典型水体(水体的光学特性参数见表 2)的激光雷达回波信号和太阳背景噪声进行计算。计算时假设太阳直射水面,得到回波信号的信噪比随深度的变化关系如图 6所示,其中虚线是将太阳背景噪声降低70%后计算所得的结果。

      表 1  星载海洋激光雷达系统参数[11, 20]

      Table 1.  Parameters of spaceborne oceanic lidar system[11, 20]

      参数
      卫星高度H/km 400
      单脉冲激光能量E0/J 1.3
      采样频率f/MHz 200
      望远镜口径D/m 1.5
      接收视场角FOV/mard 0.15
      滤光片带宽Δλ/nm 0.1
      海水折射率n 1.33
      探测器量子效率η 0.5
      光学系统透过率k 0.9
      海面透过率Ts 0.98
      大气透过率Ta 0.6
      太阳光谱辐亮度Ib 1.4 W·m-2·nm-1·sr-1

      表 2  3种典型海水的光学特性参数[21-22]

      Table 2.  Optical properties of three typical types of seawater[21-22]

      海水类型 光学特性参数
      a
      (m-1)
      b
      (m-1)
      βπ
      (m-1 ·sr-1)
      bb
      (m-1 ·sr-1)
      清洁大洋 0.114 0.037 0.870 8 0.001 63
      近岸水体 0.179 0.219 0.947 0 0.002 85
      浑浊海港 0.366 1.824 0.919 9 0.036 48

      图 6所示,在486.134 nm夫琅禾费暗线处采用0.1 nm的滤光片可将太阳背景光抑制到488 nm波段的30%,对信噪比大于10的信号几乎没有影响,在信噪比低于10时,探测深度有所提升。信噪比为1时,3种典型水体在探测深度上提升分别约为5.0%、4.6%和3.5%。清洁海水的探测深度提升程度高于浑浊水体,这是由于浑浊水体的吸收和散射都比较强,信号的衰减非常明显,故探测深度较低。总体来看,采用夫琅禾费暗线将背景噪声水平抑制70%对于信噪比和探测深度的提升约在5.0%左右。

      图  6  不同噪声水平下3种典型水体的信噪比和深度之间的关系

      Figure 6.  Relationship between SNR and depth of three typical types of seawater at two different noise levels

      此外,大气透过率也是影响星载激光雷达波长选择的因素,本文利用中等光谱分辨率大气透过率及辐射传输算法和计算模型(MODerate spectral resolution atmospheric TRANsmittance algorithm and computer model, MODTRAN),并采用MODTRAN中的美国标准大气模型,计算出了532、488和486.134 nm波长海洋上空的大气透过率,分别为0.626 8、0.599 8和0.597 9。可见在大气透过率方面,这3个波长的差别并不大,虽然486.134 nm的大气透过率稍微低了一点,但在海水的穿透能力方面仍具有明显的优势。

    • 星载海洋激光雷达是目前最有前景的海洋遥感仪器,也是海洋光学和海洋遥感领域的研究热点。针对星载海洋激光雷达的发展需求,本文从全球海洋探测深度和回波信噪比两个方面,分析了采用H-β太阳夫琅禾费暗线486.134 nm作为星载激光雷达探测波长的优势。利用MODIS 10个波段的水体光学参数,并假设海水光学特性均匀分布,给出了海洋探测深度和最佳探测波段的全球分布。结果表明:488 nm波段的适用面积占全球海洋的70%以上;在真光层探测方面,488 nm波段探测深度在80%真光层深度以上的海洋面积占全球海洋的95.17%,相对于激光雷达的常用波段532 nm来说,488 nm在全球海洋探测深度上具有明显的优势,更适合作为星载激光雷达的工作波长。另一方面,从回波信噪比的角度来说,选择靠近488 nm波段的486.134 nm作为工作波长,可以利用太阳夫琅禾费暗线的优势,降低背景噪声从而提高信噪比。结果表明,当采用0.1 nm带宽的滤光片时,可以将太阳背景光抑制为488 nm波段的30%左右。信噪比为1时,3种典型海水的探测深度提升都在5.0%以内。本文的分析表明486 nm工作波段在全球海洋探测深度和回波信噪比方面具有明显的优势,是星载海洋激光雷达工作波长的最佳选择。本文的研究结果对星载海洋激光雷达系统的设计和研制具有指导意义。

参考文献 (22)

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