主題詞

海洋遙感，海洋激光雷達(dá)，蒙特卡洛(MC)仿真，海水光學(xué)特性，衰減系數(shù)

    海洋與地球的生態(tài)環(huán)境和氣候氣象密切相關(guān)，對人類的生產(chǎn)生活至關(guān)重要。被動水色遙感作為一種成熟的海洋探測手段，在全球海洋環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。而海洋激光雷達(dá)是一種主動遙感設(shè)備，在白天和夜晚均可探測海面以下數(shù)十米范圍內(nèi)的海水光學(xué)參數(shù)，探測區(qū)域可覆蓋包括極地在內(nèi)的全球海域。這些優(yōu)勢使得海洋激光雷達(dá)成為構(gòu)建未來全球海洋立體觀測體系的重要組成部分。

    浙江大學(xué)劉東教授團(tuán)隊近期發(fā)表論文《Lidar Remote Sensing of Seawater Optical Properties: Experiment and Monte Carlo Simulation》，研制了一套用于探測海水光學(xué)特性的船載海洋激光雷達(dá)系統(tǒng)，并將實測數(shù)據(jù)與半解析蒙特卡羅仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對比，結(jié)果十分吻合，表明所研制的激光雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性。

    論文標(biāo)題

    Lidar Remote Sensing of Seawater Optical Properties: Experiment and Monte Carlo Simulation

    發(fā)表期刊

    IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing (Volume: 57，Issue: 11，Nov.2019)

    DOI: 10.1109/TGRS.2019.2926891

    論文全文鏈接

    https://ieeexplore.ieee.org/document/8790744 

    研究背景和意義

圖1  激光在海水中的多次散射

    (圖片源自“徐沛拓,劉東,周雨迪,劉群,白劍,劉志鵬,吳蘭,沈亦兵,劉崇.2020.海洋激光雷達(dá)多次散射回波信號建模與分析.遙感學(xué)報,24(2): 142-148)

    海洋激光雷達(dá)是一種主動遙感設(shè)備，在白天和夜晚均可探測海面以下數(shù)十米范圍內(nèi)的海水光學(xué)參數(shù)，探測區(qū)域可覆蓋包括極地在內(nèi)的全球海域，這些優(yōu)勢使得海洋激光雷達(dá)正逐漸成為構(gòu)建海洋立體觀測網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。然而，激光自發(fā)射到接收，在海水中經(jīng)歷了吸收和散射，由于傳播過程和海水成分的復(fù)雜性，海洋激光雷達(dá)的正反演理論并不簡單，精度驗證則是海洋激光雷達(dá)的重要任務(wù)之一。

圖2  研制的海洋激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

(圖片源自“劉志鵬,劉東,徐沛拓,吳蘭,周雨迪,韓冰,劉群,宋慶君,毛志華,張與鵬,崔曉宇, 陳鵬.2019. 海洋激光雷達(dá)反演水體光學(xué)參數(shù).遙感學(xué)報, 23(5): 944-951)

    浙江大學(xué)研制了一套海洋激光雷達(dá)，于2017年8月搭乘海力號科考船在黃東海進(jìn)行了海試，實驗獲得了大量的固定站點數(shù)據(jù)和走航數(shù)據(jù)。通過海洋激光雷達(dá)方程，可反演得到激光雷達(dá)衰減系數(shù)α。在固定站點觀測時，有同步進(jìn)行觀測的原位儀器，包括 ac-9 吸收衰減儀、CTD溫鹽深剖面儀，以及 HS6P 后向散射測量儀，用于測量水體的固有光學(xué)參數(shù)。

圖3 海洋激光雷達(dá)黃海實驗圖

    以概率和統(tǒng)計理論方法為基礎(chǔ)的蒙特卡洛（MC）方法常被用于模擬最接近實際的物理過程，由于在仿真過程采用了極少的假設(shè)，MC仿真可以得到高精度的激光雷達(dá)回波信號。為了提高仿真效率，半解析MC方法將仿真的光子視為一個巨大的光子包，存在一個統(tǒng)計期望值，使得每次散射時均有部分光子滿足接收條件參與形成激光雷達(dá)信號，大大提高了計算效率。

    研究結(jié)果

    將激光雷達(dá)儀器實測的數(shù)據(jù)與半解析MC仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從激光雷達(dá)回波信號、激光雷達(dá)衰減系數(shù)α兩個層面進(jìn)行了分析。從激光雷達(dá)衰減系數(shù)α的對比中結(jié)果中可以看到，兩者具有很好的一致性，相關(guān)系數(shù)r=0.95。在引入半解析MC仿真之前，激光在海水中的衰減往往近似采用漫射衰減系數(shù)Kd，與α的相關(guān)系數(shù)r=0.91。這表明半解析MC仿真具有很高的準(zhǔn)確度，可在海洋激光雷達(dá)信號模擬以及實驗數(shù)據(jù)校驗中發(fā)揮重要作用。

    此外，還特別研究了不同視場角下激光雷達(dá)衰減系數(shù)α的變化，實測結(jié)果與MC仿真高度一致（r=0.96）。原位儀器數(shù)據(jù)為上述海洋激光雷達(dá)的仿真和反演提供了重要的原始數(shù)據(jù)，MC仿真能夠真實地模擬激光在海水中的傳輸過程，在各類海水情況下均有很高的仿真準(zhǔn)確度，對比結(jié)果也表明了激光雷達(dá)系統(tǒng)遙感探測海水光學(xué)特性的可行性。

圖4 (a)-(h)對應(yīng)實驗站點1-8的衰減系數(shù)（帶誤差線的藍(lán)色實線表示由激光雷達(dá)實測信號反演得到的α，紅色實線表示MC仿真信號反演得到的α，綠色虛線表示由原位儀器數(shù)據(jù)推算的漫射衰減系數(shù)Kd）

    更多信息，詳見原文

    第一作者

    劉東，浙江大學(xué)教授，研究方向為生態(tài)環(huán)境激光雷達(dá)（包括大氣、海洋及星載）、機(jī)器視覺與機(jī)器學(xué)習(xí)、光電干涉檢測等。

    E-mail：liudongopt@zju.edu.cn

    個人主頁：https://person.zju.edu.cn/liudong

    團(tuán)隊介紹

    浙江大學(xué)光電檢測與遙感研究團(tuán)隊包括“光電檢測”和“激光雷達(dá)”兩大研究方向。

    光電檢測研究方向，立足光電干涉精密檢測，結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)，大力發(fā)展基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能檢測技術(shù)及系統(tǒng)，主攻非球面/自由曲面等面形及波前高精度通用化檢測、光學(xué)元件微觀缺陷(包括表面/亞表面/體缺陷等)高精度數(shù)字化檢測等難題。

    激光雷達(dá)研究方向，以高光譜分辨率激光雷達(dá)(HSRL)為研究特色，以視場展寬邁克爾遜干涉儀(FWMI)鑒頻器為技術(shù)核心，圍繞大氣及海洋等環(huán)境探測中的顆粒物遙感開展研究，進(jìn)而解決生態(tài)環(huán)境及氣候氣象等相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)問題。

原文鏈接：海洋激光雷達(dá)：助力構(gòu)建未來全球海洋三維觀測體系

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文章來源：遙感學(xué)報公眾號