欒曉寧，李菁文，郭金家*，鄭榮兒

(1．中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266100;2．北京遙測(cè)技術(shù)研究所，北京100076)

在人類研究和認(rèn)知海洋的過(guò)程中，針對(duì)海洋內(nèi)部進(jìn)行探測(cè)的技術(shù)手段是非常有限的［1］。盡管聲學(xué)探測(cè)技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但由于氣/水界面對(duì)聲波能量能夠產(chǎn)生接近全反射的巨大影響，給聲學(xué)探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)一定的局限性。與傳統(tǒng)的聲學(xué)探測(cè)技術(shù)相比，光學(xué)探測(cè)技術(shù)近年來(lái)在水氣界面和淺海探測(cè)中獲得快速發(fā)展，特別是海洋激光雷達(dá)。作為一種主動(dòng)傳感器，海洋激光雷達(dá)通過(guò)發(fā)射大功率的窄脈沖激光，并通過(guò)接收設(shè)備接收激光束作用于不同探測(cè)目標(biāo)物后產(chǎn)生的各種類型的回波信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境多種物理和化學(xué)參數(shù)的快速實(shí)時(shí)測(cè)量。由于海洋激光雷達(dá)具備重復(fù)頻率高、探測(cè)速度快以及遠(yuǎn)距離遙測(cè)等優(yōu)勢(shì)，因而可以搭載在船舶、飛機(jī)甚至衛(wèi)星上，具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性能、較大的探測(cè)范圍以及較低的運(yùn)行成本，在搜索效率和探測(cè)點(diǎn)密度上都是聲吶等聲學(xué)探測(cè)手段無(wú)法企及的。雖然在深水探測(cè)方面聲吶仍是主要手段，但在淺水探測(cè)方面海洋激光雷達(dá)已經(jīng)顯示出比聲吶更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，是一項(xiàng)極具誘惑力的新技術(shù)。

激光雷達(dá)以激光束作為探測(cè)手段，通過(guò)回波信號(hào)的振幅、相位、頻率和偏振等物理參數(shù)來(lái)反演探測(cè)目標(biāo)物的屬性。而激光與海洋水體以及水體中的各種成分存在著復(fù)雜多樣的作用過(guò)程，包括透射、反射、彈性散射、非彈性散射和光致發(fā)光等等。因此，依靠回波信號(hào)所包含的豐富的特征信息，海洋激光雷達(dá)能夠針對(duì)海洋環(huán)境中各種各樣的目標(biāo)物實(shí)現(xiàn)從表面狀態(tài)、空間分布、濃度到化學(xué)成分等多種參數(shù)的探測(cè)，并具備獲得激光散射深度分布信息的能力，可以用來(lái)測(cè)繪不同海洋成分的深度分布剖面圖，在水下目標(biāo)探測(cè)識(shí)別［2，3］、海洋測(cè)深［4，5］、表面粗糙度測(cè)量［6-8］、激光誘導(dǎo)熒光探測(cè)［9-11］等領(lǐng)域均有成功的應(yīng)用實(shí)例。

自1968年第一臺(tái)激光海洋測(cè)深系統(tǒng)研制成功［12］，海洋激光雷達(dá)已經(jīng)走過(guò)了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展歷程，隨著高性能激光器、高速處理器及高精度定位技術(shù)的不斷發(fā)展，海洋激光雷達(dá)已經(jīng)從誕生發(fā)展階段逐漸步入了實(shí)用完善階段，并在人類認(rèn)知和利用海洋的過(guò)程中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，本文從海洋激光雷達(dá)的種類和探測(cè)原理出發(fā)，對(duì)海洋激光雷達(dá)發(fā)展及其在漁業(yè)資源調(diào)查和海洋生態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

1 海洋激光雷達(dá)的種類

海洋激光雷達(dá)是激光技術(shù)應(yīng)用于海洋探測(cè)領(lǐng)域的重要分支，具備激光雷達(dá)的固有特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具有較高的測(cè)量精度、精細(xì)的時(shí)間和空間分辨率以及大的探測(cè)跨度。海洋激光雷達(dá)種類繁多，可以按照激光器類型、探測(cè)原理、運(yùn)載平臺(tái)以及功能用途等進(jìn)行分類。海洋激光雷達(dá)系統(tǒng)中的光源大多數(shù)選擇的是氣體或固體脈沖激光器，也有少數(shù)使用氣體連續(xù)激光器，并因用途各異選擇不同的激光波長(zhǎng)。通常選用的激光器有XeCl準(zhǔn)分子激光器(308 nm)、氮分子激光器(337．1 nm)、染料激光器(383 nm)、Nd:YAG固體激光器的基頻(1 064 nm)、二倍頻(532 nm)和三倍頻(355 nm)等。此外，針對(duì)不同目標(biāo)物的探測(cè)需求，還出現(xiàn)了基于拉曼散射的頻移波長(zhǎng)(如397 nm)的激光雷達(dá)。由于海水對(duì)電磁波產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收和衰減，只有在可見(jiàn)光藍(lán)-綠波段存在一個(gè)狹窄的透射窗口，如圖1所示。因此針對(duì)海洋水體內(nèi)部進(jìn)行探測(cè)的海洋激光雷達(dá)的工作波長(zhǎng)集中在450-550 nm的范圍內(nèi)，由于532 nm的商業(yè)化激光器(Nd:YAG)的成熟度高，其能耗不超過(guò)1 kW，重量低于100 kg，體積不超過(guò)0．5 m3，高效、緊湊且具有良好魯棒性，在實(shí)際海洋激光雷達(dá)系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。該激光器的脈沖寬度通常為1-10 ns，對(duì)應(yīng)在海水中的距離分辨率在0．11-1．1 m之間;燈泵Nd:YAG激光器能以1-100 Hz的頻率產(chǎn)生1-500 mJ的脈沖能量。采用二極管泵浦的Nd:YAG激光器則更多用于低脈沖能量、高重復(fù)頻率的應(yīng)用場(chǎng)合。

按照探測(cè)原理劃分，有多普勒激光雷達(dá)、激光熒光雷達(dá)、差分吸收激光雷達(dá)、合成孔徑激光雷達(dá)等等。激光雷達(dá)接收的信號(hào)類型非常多樣，比如彈性散射信號(hào):如瑞利散射(Rayleigh scattering)、米散射(Mie scattering)、共振散射(resonance scattering)、非彈性散射信號(hào):如拉曼散射(Raman scattering)、布里淵散射(Brillouin scattering)和激光誘導(dǎo)熒光信號(hào)(Laser induced fluorescence)，對(duì)應(yīng)不同類型的海洋激光雷達(dá)。

因運(yùn)載平臺(tái)不同，海洋激光雷達(dá)又可分為水下激光雷達(dá)、船載激光雷達(dá)、機(jī)載激光雷達(dá)和星載激光雷達(dá)。此外，海洋激光雷達(dá)的用途也非常廣泛，有針對(duì)海洋環(huán)境參數(shù)的海洋測(cè)溫和測(cè)深雷達(dá)、針對(duì)海洋溢油監(jiān)測(cè)的激光熒光雷達(dá)、針對(duì)浮游植物和有色可溶有機(jī)物(CDOM)的激光熒光水質(zhì)探測(cè)雷達(dá)、針對(duì)大型浮游動(dòng)物和魚(yú)群的漁業(yè)資源監(jiān)測(cè)雷達(dá)等等。

圖1 可見(jiàn)光波段在各類自然水體中的透射距離示意圖［13］Fig．1 Graphical representation of light transmission in various kinds of natural water

2 海洋激光雷達(dá)的探測(cè)原理

海洋激光雷達(dá)探測(cè)的基本原理如圖2所示。從搭載平臺(tái)向海面發(fā)射脈寬為納米級(jí)的激光脈沖，一部分激光能量被海面反射，另一部分穿過(guò)氣/水界面進(jìn)入海洋水體內(nèi)部，海面反射的回波被接收器接收，設(shè)其時(shí)間為t1;穿透海面的那部分經(jīng)海水射向海底，被海底或水中其他物體反射后，再次經(jīng)過(guò)海水，穿過(guò)海氣界面，回波信號(hào)被接收器接收，設(shè)其時(shí)間為t2，通過(guò)測(cè)量時(shí)間差△t=t2－t1，可得到海洋水深或者水中物體的深度z:

式中c是光在真空中的速度，m是海水的折射率，在532 nm波長(zhǎng)處m=1．341。

激光從水面直接入射到水體，第一個(gè)相互作用的過(guò)程為氣/水界面的菲涅爾反射，激光束垂直入射平靜海面的菲涅爾反射率約為2%，并在雷達(dá)接收機(jī)上產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的海面回波信號(hào)，海表面回波信號(hào)Ps及海底或海中物體的回波信號(hào)Pt是激光測(cè)深雷達(dá)系統(tǒng)接收的最重要的兩個(gè)信號(hào)，它們是由測(cè)深系統(tǒng)參數(shù)及環(huán)境因素共同決定的。Ps及Pt可用下面的解析式近似表達(dá):

圖2 海洋激光雷達(dá)探測(cè)原理圖Fig．2 The schematic diagram of oceanographic lidar detecting

式中P0為激光器輸出峰值功率，ρ是海面反射率，σ是空氣衰減系數(shù)，H是運(yùn)載平臺(tái)的高度，A是接收光學(xué)系統(tǒng)面積，E是接收系統(tǒng)效率。R是海底或海中物體的反射率，Γ是有效衰減系數(shù)。從水下反射的回波信號(hào)兩次通過(guò)氣/水界面的能量損耗大約為4%，對(duì)于非偏振光，反射光的能量損耗不超過(guò)5%，除非入射角達(dá)到約60o。因此，激光在氣/水界面處的能量損耗通?？梢院雎裕?，14，15］。

利用激光脈沖的彈性回波信號(hào)可以對(duì)大型浮游植物、魚(yú)群等具有一定幾何外形尺度的水下目標(biāo)物進(jìn)行探測(cè)，但當(dāng)面對(duì)水體內(nèi)部組分以及浮游生物的探測(cè)需求時(shí)，海洋激光熒光雷達(dá)依靠的是激光誘導(dǎo)熒光(LIF)的探測(cè)原理。

激光熒光雷達(dá)方程如下:

式中△PF為接收的激光誘導(dǎo)熒光能量，PL為激光脈沖能量，ρL和ρF分別為激光發(fā)射波長(zhǎng)和熒光波長(zhǎng)的海表反射系數(shù)，αL和αF分別為激光發(fā)射波長(zhǎng)和熒光波長(zhǎng)的大氣衰減系數(shù)，kL和k F分別為激光發(fā)射波長(zhǎng)和熒光波長(zhǎng)的海水衰減系數(shù)，A為望遠(yuǎn)鏡接收面積，ξF為熒光探測(cè)通道的光學(xué)接收效率，ηF為熒光物質(zhì)的濃度，δλD和δλF分別為探測(cè)器的光譜濾波器帶寬和激光激發(fā)的熒光帶寬，δF為熒光散射截面積，H為運(yùn)載平臺(tái)的飛行高度，△z為待測(cè)水體的厚度，z為海水表層測(cè)量深度，m為海水的折射率。

3 用于海洋漁業(yè)資源探測(cè)的激光雷達(dá)

傳統(tǒng)漁業(yè)資源調(diào)查采用的是聲吶探測(cè)與拖網(wǎng)采樣相結(jié)合的技術(shù)手段，與之相比，采用機(jī)載海洋激光雷達(dá)進(jìn)行漁業(yè)資源調(diào)查具有顯著的優(yōu)勢(shì)。由于該技術(shù)可避免對(duì)魚(yú)群等探測(cè)目標(biāo)物群體的驚擾，并在魚(yú)群移動(dòng)前覆蓋足夠大的探測(cè)區(qū)域，有效提高了資源調(diào)查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度;采用機(jī)載方式大大提高了探測(cè)效率，運(yùn)行費(fèi)用也遠(yuǎn)比采用水面船只低廉。

關(guān)于機(jī)載激光雷達(dá)探測(cè)魚(yú)群可行性的研究始于上世紀(jì)70年代初［16］。1976年美國(guó)海軍用機(jī)載的激光雷達(dá)成功探測(cè)到了南弗羅里達(dá)海域的魚(yú)群，并用其測(cè)繪了新澤西沿岸水域魚(yú)群的垂直分布剖面圖［17］。在證實(shí)了激光雷達(dá)探測(cè)魚(yú)群的可行性后，一直有人試圖建立激光雷達(dá)信號(hào)與特定種類魚(yú)群密度和數(shù)量的關(guān)聯(lián)，而這需要對(duì)特定魚(yú)種的目標(biāo)強(qiáng)度有所了解，而目標(biāo)強(qiáng)度與魚(yú)種的反射率有關(guān)。所謂目標(biāo)強(qiáng)度，是指被探測(cè)目標(biāo)物反射的能量與入射光能量的比值［18］。最初激光雷達(dá)反射率的實(shí)驗(yàn)是在水槽中以死亡的魚(yú)類作為探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行的，Churnside和McGillivary對(duì)總共5種魚(yú)類和一種烏賊進(jìn)行了雷達(dá)反射率測(cè)量［19］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于綠色偏振激光，不同魚(yú)種的反射率數(shù)值分布在巖魚(yú)的0．072和烏賊的0．148的范圍內(nèi)，退偏振度數(shù)值分布在鳳尾魚(yú)的0．132到另外一種巖魚(yú)的0．345的范圍內(nèi)。1997年，Churnside等［20］采用532 nm偏振激光雷達(dá)對(duì)水箱中活體沙丁魚(yú)的反射率進(jìn)行了探測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，回波的平行偏振組分的漫反射率為9．7%，垂直偏振組分的漫反射率為3．1%，退偏振度為0．24。利用校正后的測(cè)量值，該研究小組對(duì)南加州海灣中沙丁魚(yú)群的垂直剖面分布進(jìn)行了測(cè)繪，并對(duì)海洋衰減系數(shù)和雷達(dá)信號(hào)的波動(dòng)情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量［21］。

利用現(xiàn)成的商業(yè)化器件，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)［22］研制出一臺(tái)實(shí)驗(yàn)性海洋魚(yú)群探測(cè)激光雷達(dá)FLOE(Fish Lidar Oceanic Experimental system)。隨后FLOE系統(tǒng)不斷改進(jìn)，加配了一臺(tái)彩色數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，并對(duì)信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行升級(jí)以區(qū)分水體中魚(yú)群與小顆粒的回波信號(hào)［23，24］。FLOE系統(tǒng)在北太平洋開(kāi)展了一系列海洋生態(tài)環(huán)境調(diào)查活動(dòng)，針對(duì)不同密度的魚(yú)群和浮游植物的雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)與聲吶探測(cè)和拖網(wǎng)取樣的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，將激光雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)與聲吶探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)后發(fā)現(xiàn)，兩者的探測(cè)結(jié)果非常接近［23］，如圖3所示。FLOE系統(tǒng)在加州海岸水域?qū)P尾魚(yú)和沙丁魚(yú)等商業(yè)魚(yú)種也進(jìn)行了資源調(diào)查［25］，并被用于對(duì)槍烏賊以及其他海洋哺乳動(dòng)物的探測(cè)［26］。2002年7月，挪威海洋研究所IMR(the Norwegian Institute of Marine Research)使用NOAA研制的FLOE系統(tǒng)對(duì)挪威海的鯖魚(yú)密度和分布進(jìn)行了測(cè)繪，以驗(yàn)證該系統(tǒng)作為資源調(diào)查手段的有效性。在挪威海完成一系列探測(cè)飛行后，7月26日-28日，F(xiàn)LOE系統(tǒng)被部署到IMR位于Austevoll的研究站，對(duì)不同尺寸的活體鯖魚(yú)的反射率和目標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行了平行偏振和垂直偏振的測(cè)量［26］。

圖3 針對(duì)相同魚(yú)群的聲吶探測(cè)數(shù)據(jù)(a)與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)(b)對(duì)比圖Fig．3 Comparison of synoptic acoustic(a)and lidar signal-return data(b)for the same school of sardines

2003年，NOAA環(huán)境技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的Churnside等使用532 nm偏振激光器和增強(qiáng)型電荷耦合器件ICCD，研制了一款專用的魚(yú)群探測(cè)成像激光雷達(dá)系統(tǒng)，利用ICCD攝像機(jī)的距離選通門控功能，成功探測(cè)到了渾濁水體中魚(yú)群的反射圖像，并使用改進(jìn)后的圖像濾波處理算法將原始圖像3．4的信噪比提高到16．4［27］，如圖4所示。

2006年，西班牙的P．Carrera等［28］采用Churnside等研制的海洋激光雷達(dá)對(duì)歐洲南部的大西洋水域部分深海魚(yú)種(鳳尾魚(yú)、沙丁魚(yú)、鯖魚(yú)、竹莢魚(yú))幼苗的分布區(qū)域和密度進(jìn)行了測(cè)繪，并與聲吶探測(cè)和拖網(wǎng)采樣的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。根據(jù)實(shí)際對(duì)比結(jié)果對(duì)激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了改進(jìn)，以期通過(guò)激光雷達(dá)回波實(shí)現(xiàn)對(duì)特定魚(yú)種豐度的估算。

圖4 NOAA海洋激光成像雷達(dá)探測(cè)結(jié)果a)ICCD探測(cè)圖像b)深度剖面圖(水面附近的強(qiáng)回波為魚(yú)群位置)Fig．4 Detection results of NOAA oceanographic imaging lidar(High returns in green symbol near the surface are salmon)

2010年秋季，NOAA地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室的Churnside等使用新一代的機(jī)載海洋漁業(yè)資源監(jiān)測(cè)雷達(dá)［29］，對(duì)加州沿岸水域的沙丁魚(yú)群進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。該雷達(dá)采用的是線偏振的調(diào)Q倍頻Nd:YAG激光器，單脈沖能量120 mJ，脈沖寬度10 ns，重復(fù)頻率20 Hz。在激光器前設(shè)置偏振分束器以提高激光束的偏振度，并利用垂直偏振透射偏振分束器后的微弱光信號(hào)觸發(fā)光電二極管產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)脈沖信號(hào)。出射激光束在600 m的飛行高度對(duì)人眼仍然不安全，因此通過(guò)發(fā)散透鏡使光束產(chǎn)生8．5 mrad的發(fā)散角，并通過(guò)一組反射鏡將激光束與作為接收器的望遠(yuǎn)鏡在600 m的探測(cè)距離上調(diào)節(jié)為共軸狀態(tài)，如圖5所示。

Kaman航天公司生產(chǎn)了一種實(shí)用的激光水下成像設(shè)備KF-100Fish Eye機(jī)載激光探魚(yú)系統(tǒng)［21］。該系統(tǒng)具有掃描和非掃描兩種工作方式，可以探測(cè)單條魚(yú)和魚(yú)群，確定魚(yú)群密度，并可區(qū)分海豚和金槍魚(yú)，觀察魚(yú)的活動(dòng)，在某些情況下可確認(rèn)魚(yú)的種類。橫向搜索寬度200 m～1 000 m。當(dāng)固定翼飛機(jī)速度為220 km/h時(shí)，在1 000 m搜索寬度條件下每小時(shí)可搜索40 n mile2;當(dāng)直升機(jī)速度為148 km/h，在200 m搜索寬度條件下，每小時(shí)可搜索5 n mile2。探測(cè)深度為15 m，在操作員控制下，測(cè)深精度小于1．5 m。

除了對(duì)生物量進(jìn)行估算，海洋激光雷達(dá)還可以用來(lái)研究特定魚(yú)種的行為特點(diǎn)。例如，通過(guò)與安裝在同一平臺(tái)上的紅外輻射計(jì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，激光雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)顯示沙丁魚(yú)群在西北太平洋的熱鋒面處產(chǎn)生聚集［30］，這一探測(cè)結(jié)果證實(shí)了之前的猜測(cè)［31］。與目視觀測(cè)手段相結(jié)合，海洋激光雷達(dá)在東南白令海水域［32］觀測(cè)了鯨、海鳥(niǎo)、鯡魚(yú)以及南極磷蝦之間的掠食行為，并探測(cè)到了海面附近的魚(yú)群對(duì)調(diào)查船只的躲避行為，這些探測(cè)結(jié)果也得到了其它探測(cè)手段的印證［33］。

圖5 NOAA新一代海洋漁業(yè)監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)機(jī)載布放(左)與結(jié)構(gòu)示意圖Fig．5 Mounting configuration and schematic diagram of new generation NOAA fishery surveillance lidar

4 用于海洋生態(tài)監(jiān)測(cè)的激光熒光雷達(dá)

浮游植物貢獻(xiàn)了全球約40%的光合作用，是人類賴以生存的關(guān)鍵。人類社會(huì)快速的發(fā)展使脆弱的自然環(huán)境不斷惡化，由此帶來(lái)了針對(duì)海洋浮游植物監(jiān)測(cè)和研究的迫切需求。而針對(duì)全球海洋水色的持續(xù)觀測(cè)也給海洋上層水體的生物化學(xué)成分的科學(xué)認(rèn)知帶來(lái)革命性的變化。通過(guò)對(duì)浮游植物濃度在全球的空間分布、季節(jié)性周期以及年代演化趨勢(shì)的探測(cè)，可以在空間和時(shí)間尺度上估算海洋初級(jí)生產(chǎn)力［1］。而活體浮游植物富含葉綠素a和藻紅蛋白(PBP)等生色團(tuán)，其濃度是反映浮游植物生物量的可靠指標(biāo)。

基于激光誘導(dǎo)熒光(LIF)效應(yīng)，海洋激光熒光雷達(dá)通過(guò)向水體發(fā)射紫外或可見(jiàn)光波段的短波長(zhǎng)激光脈沖，并接收不同熒光活性粒子發(fā)射的熒光信號(hào)，并通過(guò)熒光信號(hào)的強(qiáng)度、熒光峰位、熒光壽命以及熒光偏振特性反演水體中熒光物質(zhì)的種類和濃度，繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)浮游植物、CDOM、葉綠素等的遙感探測(cè)。海洋激光熒光雷達(dá)還具備探測(cè)混合藻類種群的結(jié)構(gòu)信息和光生理學(xué)特征的能力。海洋熒光激光雷達(dá)是熒光光譜探測(cè)技術(shù)與激光遙測(cè)技術(shù)的完美結(jié)合，利用熒光激光雷達(dá)對(duì)海洋中的浮游生物和葉綠素、CDOM等有機(jī)組分進(jìn)行探測(cè)，不需要取樣、也不需要水下儀器的現(xiàn)場(chǎng)布放，操作簡(jiǎn)單、方便，對(duì)于海洋生物光學(xué)探測(cè)具有很大的便利性，是海洋熒光測(cè)量的理想儀器，特別是機(jī)載海洋激光雷達(dá)以其測(cè)量范圍廣、靈活方便，在海洋熒光探測(cè)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中得到迅速發(fā)展并廣泛應(yīng)用。世界上許多國(guó)家也發(fā)展了機(jī)載海洋熒光激光雷達(dá)系統(tǒng)，法國(guó)、德國(guó)等已成功的應(yīng)用于業(yè)務(wù)化測(cè)量，如表1所示。

表1 部分典型機(jī)載海洋熒光激光雷達(dá)系統(tǒng)Tab．1 Several typical airborne laser fluorosensor systems

美國(guó)研制的AOL-3機(jī)載海洋激光雷達(dá)就是其中的代表［34］，該激光雷達(dá)采用半導(dǎo)體泵浦固體激光器，同時(shí)發(fā)射532 nm和355 nm兩個(gè)波長(zhǎng)，接收子系統(tǒng)設(shè)有七個(gè)通道，可探測(cè)海水水體瑞利散射、拉曼散射以及葉綠素等有機(jī)組分熒光。

圖6 AOL-III海洋激光雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖與機(jī)載布放圖(右)Fig．6 Schematic diagram of AOL-III oceanographic lidar system and its mounting configuration on the aircraft

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展了FEX/FEM LIDAR系統(tǒng)［35］，該系統(tǒng)采用OPO可調(diào)諧激光器作為激發(fā)光源，OPO激光器調(diào)諧范圍為410-680 nm，一個(gè)高分辨率ICCD光譜儀對(duì)激發(fā)的熒光光譜進(jìn)行分光探測(cè)。法國(guó)研制的機(jī)載海洋熒光激光雷達(dá)系統(tǒng)FLS(Fluorescent Lidar System)結(jié)合被動(dòng)高光譜成像儀(Hyperspectral Imager)對(duì)海洋表面的溢油污染和海洋生態(tài)環(huán)境污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)［36］。FLS系統(tǒng)采用308 nm激光器作為激發(fā)光源，500通道光電二極管陣列作為探測(cè)器，光譜范圍300-500 nm。德國(guó)Oldenburg大學(xué)［38］研制一套海洋熒光激光雷達(dá)系統(tǒng)(LFS)，他們所采用的激光器的激發(fā)波長(zhǎng)為308 nm和383 nm，采用12個(gè)接收通道接收海面受激發(fā)射的熒光，光譜覆蓋范圍為330-680 nm。飛機(jī)的工作高度為100-300 m，采用橫向掃描工作方式，探測(cè)的刈幅寬度為150-450 m。該系統(tǒng)與紅外/紫外線掃描儀一起使用，多次對(duì)浮游植物、黃色物質(zhì)和海面溢油等進(jìn)行了成功的探測(cè)。韓國(guó)的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)［39］采用直升機(jī)作為運(yùn)載平臺(tái)，可對(duì)海水中葉綠素濃度、有色可溶有機(jī)物以及陸地植被進(jìn)行探測(cè)，工作時(shí)飛行高度可至530 m，是目前文獻(xiàn)報(bào)道中飛行高度最高的。系統(tǒng)激發(fā)光源采用Nd:YAG激光器，發(fā)射1 064 nm(600 mJ)、532 nm(280 mJ)和355 nm(100 mJ)波長(zhǎng)，接收采用f/3、口徑200 mm的望遠(yuǎn)鏡，探測(cè)器采用1024通道ICCD。

中國(guó)海洋大學(xué)自“七五”國(guó)家科技攻關(guān)起相繼進(jìn)行了海表層溫度、海洋光學(xué)參數(shù)、海洋熒光、懸移質(zhì)、海底深度等方面的藍(lán)綠光探測(cè)研究，并研制了相應(yīng)的船載激光雷達(dá)系統(tǒng)，并在我國(guó)東海、黃海、渤海進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。十五期間，該實(shí)驗(yàn)室在參與承擔(dān)的“航空遙感多傳感器集成與應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)”科研項(xiàng)目中研制成功了一套機(jī)載海洋熒光激光雷達(dá)用來(lái)測(cè)量海表層的葉綠素濃度。該系統(tǒng)搭載在中國(guó)海監(jiān)B-3808飛機(jī)上相繼在煙臺(tái)、大連、青島等海域進(jìn)行了六個(gè)架次的飛行實(shí)驗(yàn)，取得了飛行海域的大量葉綠素濃度數(shù)據(jù)，并積累了豐富的機(jī)載海洋熒光激光雷達(dá)設(shè)計(jì)、制造、實(shí)驗(yàn)等方面的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)［40］。該機(jī)載海洋熒光激光雷達(dá)的激發(fā)波長(zhǎng)為355 nm，單脈沖能量為80 mJ，脈沖寬度8-10 ns，望遠(yuǎn)鏡口徑為200 mm，采用雙通道光電倍增管接收光譜儀收集的404 nm海水拉曼熒光和685 nm葉綠素?zé)晒?。工作時(shí)飛行高度為150 m-300 m。

十一五期間，中國(guó)海洋大學(xué)進(jìn)一步研制了24通道機(jī)載海洋熒光激光雷達(dá)系統(tǒng)［41］，該系統(tǒng)先后經(jīng)高塔試驗(yàn)和機(jī)載飛行試驗(yàn)，工作狀態(tài)良好，可有效對(duì)海面溢油、CDOM、葉綠素a進(jìn)行測(cè)量。目前采用多通道接收系統(tǒng)是國(guó)際上海洋激光雷達(dá)的普遍趨勢(shì)，劉金濤等［42］在實(shí)驗(yàn)室中，以光學(xué)參量放大器(OPO)為光源，應(yīng)用課題組研制的32通道激光雷達(dá)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三十余種中國(guó)海常見(jiàn)的浮游植物三維激光熒光光譜的測(cè)量。

結(jié)束語(yǔ)

海洋激光雷達(dá)與海洋生物探測(cè)相關(guān)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在漁業(yè)資源探測(cè)和海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)兩個(gè)方面，前者常采用藍(lán)綠光激光雷達(dá)，通過(guò)對(duì)激光回波信號(hào)的識(shí)別提取以獲得魚(yú)群分布區(qū)域和密度信息，結(jié)合偏振特征分析可對(duì)魚(yú)群種類進(jìn)行識(shí)別;后者常采用海洋激光熒光雷達(dá)，通過(guò)對(duì)激光誘導(dǎo)目標(biāo)物發(fā)射的熒光等光譜信號(hào)的探測(cè)分析以獲得海洋浮游生物及葉綠素等物質(zhì)的種類和豐度分布信息。本文對(duì)這兩種海洋激光雷達(dá)技術(shù)原理、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的論述。目前這兩種海洋激光雷達(dá)國(guó)外已有成熟的產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)用，我國(guó)尚處在跟蹤研究階段，有些技術(shù)和工藝問(wèn)題還有待完善。

伴隨著平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展和海洋信息化程度的提高，給海洋激光雷達(dá)技術(shù)提出了新的要求，其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和特點(diǎn)可歸納為以下幾點(diǎn)。1)提高小型化自動(dòng)化程度，以便搭載無(wú)人機(jī)、無(wú)人船等平臺(tái)進(jìn)行全天候無(wú)人值守自動(dòng)測(cè)量;2)采用更多的激發(fā)波長(zhǎng)和更多的探測(cè)通道，以獲取更為全面的信息;3)通過(guò)與模型的結(jié)合、優(yōu)化算法，為海洋調(diào)查提供更好的數(shù)據(jù)產(chǎn)品;4)通過(guò)與其他探測(cè)手段(如衛(wèi)星遙感)相結(jié)合，以拓寬海洋激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍。

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