機載海洋激光熒光雷達軟硬件設(shè)計與飛行實驗.pdf

1、機載海洋激光熒光雷達是遙感領(lǐng)域的一項前沿技術(shù)，具有高效、實時、測量準確等優(yōu)點。隨著激光雷達技術(shù)的完善和它日益廣闊的應用前景，2001年，中國海洋大學海洋遙感研究所承擔了國家863資源與環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域的“機載海洋激光雷達海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)”課題，開始研制用于測量海表層葉綠素濃度的機載海洋激光熒光雷達。2003年11月，機載海洋激光熒光雷達系統(tǒng)安裝在國家海洋局北海分局的中國海監(jiān)B-3807飛機上，成功的進行了首次飛行實驗。 本論文圍繞此

2、課題展開討論，分為四部分：第一部分為基本原理與發(fā)展綜述，介紹了機載海洋激光雷達的基本測量原理、應用、國內(nèi)外海洋激光雷達的發(fā)展、現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢；第二部分為機載海洋激光熒光雷達系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)；第三部分為海洋激光熒光雷達系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)；第四部分為實驗以及實驗結(jié)果的分析和討論，最后是總結(jié)。 第一部分首先簡述海洋激光雷達測量海表層葉綠素a濃度的原理，然后介紹了機載海洋激光雷達在淺海地形測量、海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和海色衛(wèi)星印證領(lǐng)

3、域的應用，最后介紹國內(nèi)外海洋激光雷達的發(fā)展和現(xiàn)狀，國外發(fā)達國家的機載海洋激光雷達已經(jīng)比較成熟，然而國內(nèi)的機載系統(tǒng)還剛起步，相對于海洋環(huán)境監(jiān)測的需求，必須加快發(fā)展。而且依據(jù)國內(nèi)海洋激光雷達的現(xiàn)狀，總結(jié)了海洋激光雷達的發(fā)展趨勢。 第二部分介紹了運用計算機工程學的原理，進行海洋激光雷達系統(tǒng)的硬件設(shè)計和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。系統(tǒng)硬件包括激光發(fā)射、熒光和喇曼接收、分光系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集處理五大部分，系統(tǒng)使用355nm紫外激光作為激發(fā)光源，提

4、高葉綠素a熒光的激發(fā)效率，同時分析了激光的人眼安全參數(shù)，保證在飛行高度高于150米時，激光對于海面的人眼是安全的；信號接收部分采用光纖作為信號傳輸方式，望遠鏡接收的信號經(jīng)過光纖耦合透鏡進入光纖。分析了望遠鏡接收視場參數(shù)，并確定了光纖耦合透鏡的參數(shù)。然后分析接收視場和激光束的重疊區(qū)域受飛機飛行高度的影響，確定了望遠鏡和激光器的間距。分光系統(tǒng)采用改造的光纖光譜儀，依據(jù)對不同波長光學效率的分析選擇適合的光柵，分析光譜儀內(nèi)部光路，確定光譜分辨率

5、，然后根據(jù)熒光和喇曼的帶寬確定通道狹縫的實際寬度。在熒光和喇曼通道采用干涉濾光片，有效的抑制了背景光和激光的海面反射和水體回向散射光。光電轉(zhuǎn)換采用光電倍增管，該倍增管具有高靈敏度和低噪聲，數(shù)據(jù)采集利用40MHz采樣卡完成。機械結(jié)構(gòu)介紹了系統(tǒng)在飛機上的布放、激光雷達頭部和控制機柜的機械結(jié)構(gòu)。飛行實驗后，對于系統(tǒng)的缺點提出了五點升級方案，包括激光器的升級方案、分光部分的改進思路、多通道光電倍增管的選擇、A/D采集卡升級方案、筆記本電腦USB

6、采集方案設(shè)計。 第三部分介紹了運用軟件工程的原理進行軟件設(shè)計。主要包括海洋激光雷達系統(tǒng)的系統(tǒng)分析，設(shè)計了軟件系統(tǒng)流程。數(shù)據(jù)采集是從采集卡讀取、存儲和顯示數(shù)據(jù)，將存儲的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理軟件獲得葉綠素a濃度，然后通過數(shù)據(jù)庫接口程序或ASCⅡ文件保存數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理方法中介紹了與反演相關(guān)的內(nèi)容。 第四部分的實驗主要包括熒光和喇曼帶寬實驗、葉綠素a濃度和熒光強度的關(guān)系實驗、激光波長355nm和532nm熒光效率的比較實驗和峰值提取

7、算法的驗證實驗以及機載實驗。葉綠素a濃度和熒光強度的關(guān)系實驗是測量不同濃度的葉綠素a受激發(fā)射的熒光強度和葉綠素a濃度的關(guān)系，實驗結(jié)果表明兩者成近似線性關(guān)系。激光波長355nm和532nm熒光效率的比較實驗測量當激發(fā)出同樣葉綠素a熒光時355nm和532nm激光的能量，比較它們能量的差別，然后計算當基頻1064nm能量相同時，三倍頻355nm和二倍頻532激發(fā)熒光效果的不同，最終結(jié)果是三倍頻能夠激發(fā)出更多的熒光，即具有更高的熒光激發(fā)效率。