基于布里淵激光雷達(dá)的高精度海洋溫鹽遙感研究.pdf

1、海水的溫度和鹽度是反應(yīng)海洋特性的兩個(gè)重要物理參量，其時(shí)空的分布對(duì)海洋環(huán)境的監(jiān)控、海洋生物研究以及自然災(zāi)害的預(yù)測(cè)等應(yīng)用有非常重要的作用。在各類海水監(jiān)測(cè)手段中，激光雷達(dá)擁有良好的海水穿透性，能夠刺破海表進(jìn)而獲得深層海水信息，因而成為獲取海水溫鹽空間分布的重要遙感手段。激光雷達(dá)以其所采用的散射方式不同主要分為四種：瑞利散射激光雷達(dá)、米散射激光雷達(dá)、拉曼散射激光雷達(dá)和布里淵散射激光雷達(dá)。在這四種激光雷達(dá)中，布里淵散射激光雷達(dá)以其能夠測(cè)量多種海水

2、的物理特性，如溫度、聲速以及粘滯系數(shù)等，而受到了廣泛關(guān)注。
　　目前，基于布里淵激光雷達(dá)的接收系統(tǒng)采用的接收技術(shù)能夠分為三類：邊緣探測(cè)技術(shù)、法布里-珀羅(Fabry-Pérot，F(xiàn)-P)掃描干涉儀技術(shù)以及 F-P標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)合增強(qiáng)型電耦合器（Intensified Charge Coupled Device，ICCD）技術(shù)。在這三種方法中，邊緣探測(cè)技術(shù)不能獲取完整的布里淵散射譜線，F(xiàn)-P掃描干涉儀需要大量的掃描時(shí)間，因而在實(shí)際應(yīng)用中都

3、受到了一定限制。與前兩種方法相比，F(xiàn)-P標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)合ICCD的方法不但能夠?qū)崟r(shí)獲取海水的瑞利布里淵散射譜，并且頻域測(cè)量方式具有良好的抗噪性，因而目前受到了廣泛研究。
　　F-P標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)合ICCD方法接收到布里淵散射回波信號(hào)表現(xiàn)為二維的干涉圓環(huán)圖。通過從該圖中提取出一維布里淵散射譜，然后測(cè)量該譜線上的布里淵譜特征參數(shù)，再利用譜特征參數(shù)來反演海水溫度等。在該處理測(cè)量過程中，其海水物理特性的反演精度會(huì)受到三種因素的限制：ICCD分辨率、激

4、光雷達(dá)系統(tǒng)噪聲以及用于反演海水物理特性的模型的反演精度。其中，ICCD分辨率通過影響散射譜頻率分辨率的方式來限制溫度測(cè)量精度。已有研究工作通過數(shù)據(jù)融合方法將譜分辨率從像素級(jí)提高到了1/100像素級(jí)。然而，高分辨率散射譜線的獲取并不意味著已經(jīng)完成了提高測(cè)量精度的工作，它只是解決了由ICCD分辨率帶來的限制影響。激光雷達(dá)的系統(tǒng)噪聲和反演模型的精度問題分別還會(huì)影響譜特征參數(shù)的測(cè)量過程和海水溫度的反演過程中，對(duì)最終的溫度測(cè)量精度造成攝氏度級(jí)別的

5、誤差。要想提高最終的測(cè)量精度，仍然需要解決剩余的這兩種限制因素。
　　文章以有效提高F-P結(jié)合ICCD方式布里淵激光雷達(dá)遙感精度為目標(biāo)，對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)中的系統(tǒng)噪聲和反演模型等相關(guān)理論以及相應(yīng)的處理方法作了深入地研究和分析。一方面，文章以理論和仿真為基礎(chǔ)，分析了各種噪聲的來源、特性以及作用形式，并提出了針對(duì)性的處理方法：對(duì)ICCD散粒噪聲提出了傅里葉域上的區(qū)域均值濾波方法；對(duì)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的展寬效應(yīng)分析比較了三種去除方法：帶卷積擬合法

6、、傅里葉域去卷積法以及線寬近似相減法；而對(duì)直流噪聲，則是采用擬合去除。另一方面，文章分析了傳統(tǒng)的基于單頻譜特征參數(shù)的溫度反演模型的問題所在，并針對(duì)性地提出了兩套溫鹽同步反演模型：基于布里淵頻移和布里淵線寬的雙參數(shù)溫鹽同步反演模型(雙參數(shù)同步反演模型)和基于雙波長(zhǎng)下布里淵頻移的溫鹽同步反演模型(雙波長(zhǎng)同步反演模型)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)論顯示，這套處理測(cè)量方法能夠快速而穩(wěn)定地抑制了這些因素的影響，使得溫度的遙感精度從1 oC以上提高到了0.1 o