海洋激光雷达探测卫星技术的发展

文｜卫达 王智新 潘海华 陈晓明 王国庆

海洋战略的发展水平是综合国力的重要决定性因素之一，应该立足于海洋战略需求的角度，综合分析海洋激光雷达的基本特点及应用优势，针对现存的实际问题，制定科学完善的解决方案，重点落实海洋激光雷达探测卫星技术研究工作，明确未来星载海洋激光雷达探测卫星技术的发展方向。同时，认真研究技术相关的在轨预期数据应用产品，以实现对海洋区域次表层参数信息的获取，达到大范围观测海洋物理化学及生物参数的目的，不断提升深层变化遥感探测水平，为国内自主海洋卫星遥感技术的研发与应用提供助力。

一、引言

国内十分重视海洋卫星遥感技术的实际应用，同时不断加强对卫星海洋应用发展的关注。在长期发展的过程中，关键海洋激光雷达探测卫星技术得到创新和改进，逐步形成健全高效的海洋动环境、海洋水色监测系统，为海洋事业的长远发展提供充足动力。

二、海洋激光雷达探测卫星技术的发展现状

针对国内的机载激光测深系统而言，于20世纪90年代开始研发，相关工作由多个单位及部门参与，制定了相应的初步研发方案，并配合落实了有关试验工作，立足于原理的层面进行分析，此项研究能够在我国沿岸海域进行投入使用。中科院给予中国科学院上海光学精密机械研究很多重大项目支持，为激光测深项目的多年研发奠定良好基础，在多个方面得到技术突破。国内第一台机载海洋测深激光系统于“九五”期间研制成功，重复频率为200Hz的全固态激光器为系统的核心应用，并且，在海水漫衰减系数为0.1m-1的情况下，其水深测量能力可以达到50m。而LADM-2（第二代）机载激光测深系统的技术指标得到进一步提升，总结分析海上试验结果，得到很高的满意度，此系统能够针对数据进行快速采集、扫描及存储，且拥有GPS精确定位功能, LADM-2（第二代）机载激光测深系统是国内机载海洋测量技术国际化发展的重要标志。此外，Mapper-5000 机载双频激光雷达 ( 第三代)工程样机的研制提高了潜水探测能力，同时强化了海陆分类精度，有助于获取更加精确、全面的海洋光学剖面信息。

三、海洋星载激光雷达技术产品类型及应用原理

（一）海洋次表层光学参数探测技术原理

通过应用海洋激光雷达，有助于实现对水下剖面散射层信息的获取，此类散射层多数为多细胞或者单一细胞浮游植物，同时还涉及一些直径1mm以上的单个非球型藻类细胞。其中多细胞非球型藻类细胞群落的尺寸相对较大，主体结构体现出很强的复杂性，在个体细胞的作用下，入射的光子会产生光学高阶散射。利用海洋激光雷达能够探测以上水下散射层信息，浮游植物与高浓度营养物质构成的稀薄层是散射层中的重要组成部分，稀薄层的厚度通常为10cm左右，但是能够在实际海洋的次表层结构中延伸数千米的距离，多数能够持续多天，此种现象与海洋密度跃层之间存在密切关系。同时，此类集中层会给海洋上层的地球生物化学过程带来不同程度的影响，主要包含形成有害藻类等，且能够对海洋初级生产力造成一定影响。因此，采用分析正交偏振激光雷达的回波退偏情况，有利于完成鱼群分布、海水中粒子、浮游植物等多元化信息的获取。此外，高光谱激光雷达技术，能够有效区分大气中存在的气溶胶与分子散射信号，可以将此种技术的应用原理运用到海洋探测中，能够得到海水衰减及后向散射系数，获得良好的探测效果。

（二） 叶绿素浓度探测技术基本特点与原理

立足于海洋光学的层面进行分析，在每个浮游植物细胞中存在的光合作用色素可以降低CO2含量，或者将CO2固化成为有机碳，并且能够完成太阳能向化学能的转化，伴随产生一定量的CO2。浮游植物细胞含有的光合色素中，含有叶绿素a、辅助色素叶绿素b以及叶绿素c，同时还包含光合的类胡萝卜素。因为对于浮游植物来说，叶绿素a是唯一的光合色素，所以为浮游植物丰度及生物量的测量提供了有效方法，有利于简化探测流程。叶绿素a体现出很强的特殊性，在发射光谱方面有明显体现，即荧光峰在683nm左右出现，卫星能够监测浮游植物在荧光峰处激发的辐射荧光。由此可见，在海洋中应用蓝绿激光，可以让海水中浮游植物含有的叶绿素a得到激发，进而在荧光峰处出现红色荧光，为海水中叶绿素a柱浓度的分析提供合理依据，并且，海面溢油情况也可以通过647nm左右喇曼回波获取。

（三）海洋温度剖面探测技术基本特点与原理

针对海洋水体非弹性散射信号而言，可以利用海洋激光雷达完成探测，进而获得海洋剖面温度，此项技术属于先进科学技术之一。当激光束摄入海洋中时，能够与水中的声子发生相互作用，进而产生布里渊频移。而将532nm的绿色激光射入纯水中，会产生窄带的7.5GHz频移，此种情况下，可以利用激光雷达实现对光路鉴频器的接收，有利于明确水中的声速，且能够保证探测结果的准确性。在此基础上，结合对海中压强及盐度信息的分析，有助于得到较为精确的海水剖面温度，可见，将海洋激光雷达探测卫星技术运用在海洋温度剖面探测方面，能得到显著的探测成效，同时，保证探测数据的可靠性。

（四）海水深度和海冰高程探测技术基本特点与原理

利用海洋激光雷达探测卫星技术进行海冰高程探测及海水深度探测时，原理与测高激光雷达相似，运用此项技术的过程中，能够得到海冰、陆地、海底等多项回波信号，为了明确激光脉冲到陆地、海冰回波信号的时间延迟，应该利用脉冲整形和时间数字转换技术进行测量，同时，能够用于实现陆地和瞬时海冰斜程的测量。通过对高速AD采样激光海冰反射、穿透海水后的后向散射及海底回波信号完整波形的利用，结合专业计算方法和公式，可以分离海表和海底的回波波形与水体散射波形，进而准确获取回波时间延迟，得到海底斜程。总结分析海洋激光雷达探测卫星技术的以上应用，可知此项技术的运用能够得到相对准确的海表粗糙度及海冰高程等重要数据信息。

（五）鱼群及浮游动物群落探测技术基本原理

声呐技术在渔业资源调查中得到广泛应用，针对范围较大的潜水区进行探测的过程中，海洋激光雷达可以将气海界面穿透，进而了解与掌握实际的鱼群及浮游动物群落分布，体现出很强的应用优势，包含空间分辨率高及测量速度快等。部分领域内的专家学者针对北墨西哥湾内的飞鱼进行实际分布情况探测，通过利用FLOE系统进行观测，配合分析MODIS数据，得到相对可靠的探测结果，即在叶绿素浓度较低的暖水区域内，飞鱼的活跃度较高。对于FLOE系统来说，经过长期的运用已经得到有效改进与创新，内部安装了高清摄像机，有利于强化探测数据的准确性。基于对未来发展方向的分析，可以加强与微小尺度物理海洋观测技术的结合，进一步实现对激光回波的有效分析，有利于达到提高激光雷达遥感探测精度的目的。

四、激光雷达探测卫星技术的要点与主要发展方向

海洋的整体内部结构相对较为复杂，且对于海洋次表层结构参数来说，通常需要相互耦合，以布里渊温度测量为例，主要的影响因素包含盐度的耦合。为了强化参数提取及分析等工作的有效性，应该加大深度研究力度，强化探测方案的可行性，在此基础上，保证探测指标要求的合理性及与应用产品的契合性。

五、结语

海洋是生态系统中的重要构成资源，为了强化对海洋资源的利用与保护，应该重视对海洋激光雷达探测技术的合理运用，有利于强化海洋高精度次表层参数探测的可行性。为此，需要加大相关技术原理及要点分析力度，明确各类技术的应用注意事项及适用范围，充分发挥海洋激光雷达探测卫星技术的实际效用，全方位体现此类技术应用的规范性、标准化，推动海洋强国战略的落实，不断提升海洋探索水平。