基于生物光学算法的海洋悬浮粒子检测技术研究

 通过研究分析海水中几种主要物质的固有光学特性,提出了基于生物光学算法的机载蓝绿激光雷达检测海洋悬浮粒子的方法。针对海洋悬浮粒子的两类代表物质浮游植物和非色素悬浮粒子,采用生物光学算法,分别构建了基于机载蓝绿激光雷达的浮游植物叶绿素浓度检测模型和非色素悬浮粒子浓度的检测模型。仿真计算可以证明这两个检测模型能有效探测出浮游植物叶绿素浓度的大小和非色素悬浮粒子浓度,为实际海洋悬浮粒子的检测提供理论基础和技术支持。     

基于机载激光雷达监测海洋赤潮模型研究

提出了基于机载激光雷达应用于海洋赤潮的监测与预报方法,以检测激光水下后向散射光信号,实现对海洋赤潮藻密度信息的获取.引入赤潮藻散射系数的概念,建立了机载激光雷达的赤潮藻散射系数探测模型.通过仿真计算,证明该模型可以有效评估出赤潮藻密度的大小,进而实现对赤潮消长过程的判断.     

海洋赤潮温度盐度双参数检测技术研究

针对海洋赤潮的实时监测和预报,提出了一种通过检测海水中布里渊散射回波信号,获取海洋赤潮水体温度和盐度分布信息的双参数检测技术。通过分析布里渊散射理论,建立基于机载蓝绿激光雷达的布里渊散射信号频移量和布里渊散射信号能量与海水温度和盐度的关系模型。通过仿真计算,可由海水中的蓝绿激光布里渊散射回波信号的频移量和能量,分别得出海表及海水50 m深度以内温度和盐度的分布情况,从而可以实现海水温度和盐度的双参数实时获取,为实时判断海洋赤潮的消长过程提供理论依据。     

基于光学浮标的赤潮生消过程半分析监测方法

赤潮爆发时水体叶绿素a质量浓度升高,引起浮游植物吸收系数、光束总吸收系数等水体固有光学性质(IOP)的变化,并导致水体表观光学性质(AOP)的改变。海洋光学浮标可实现水体表观光学性质的定点连续时间序列观测,基于此发展相应的模型方法有望实现赤潮生消全过程的监测。利用一次赤潮生消过程的海洋光学浮标数据,发展了一种赤潮半分析监测方法。该方法首先由光学浮标数据得到的水体光谱漫衰减系数Kd(λ)和遥感反射率rrs(λ),结合经验确定的水下光场平均余弦进行水体光束总吸收系数a(λ)的半分析估算,然后再半分析反演浮游植物吸收系数aph(λ)和叶绿素a质量浓度。经检验,该方法估算a(675),aph(675)和叶绿素a质量浓度的中值相对误差分别为8.6%,34.9%和38.9%。将本方法与半分析方法(QAA)和统计回归方法进行了对比分析,本方法的优势在于反演精度较高,所采用的经验参数大都源自辐射传输理论计算、不依赖于浮标数据且对反演结果的影响有限。     

机载蓝绿激光海洋测深

本文论述了机载蓝绿激光海洋测深的基本原理,讨论了最大探测深度及测深精度,研究了机载激光器选择及大动态范围微弱光信号检测问题,对各国主要机载激光海洋测深系统进行了比较,并分析了我国应用该项技术的紧迫性和可行性.     

复杂海况下海洋生态环境多维度光学监测方法

针对溢油、赤潮等典型海洋生态环境污染和灾害,传统监测手段在海雾、耀斑、复杂光照等复杂海况干扰下存在“看不远”“辨不出”“认不清”三大难题。通过对比多种光学监测手段的优缺点,提出“光谱+偏振+红外探测”的多维度光学监测方法,梳理了典型海洋目标多维特性生成、传输、获取、处理与识别反演方法的现状与不足,提出了海洋目标多维度光学信息获取机制、复杂海况下多维度光学特性生成机理和传输演化机理、海洋目标多维度高分辨信息解混、重构与增强方法,以及目标识别反演方法等5个重点发展方向,指明了技术路线和解决途径,设计了多维度光学监测系统总体方案。最后,在室外开展了5种溢油种类、2种赤潮优势种的定性和定量化可控试验,利用偏振探测实现了油种的分类和赤潮优势种的区分,这为机载多维度高分辨海洋光学监测系统的深入研究与应用奠定了基础。     

近海机载激光海洋测深技术

本文详细论述机载激光海洋测深的基本原理;讨论机载蓝绿激光的最大探测深度及测深精度等关键指标;对高频率短冲脉激光器及大动态范围的微弱信号检测等关键技术也进行了论述;并简要介绍该技术的国内外发展动态,最后分析机载激光海洋测深技术在我国的现实需要及可行性。     

赤潮生消过程中的水体固有光学性质分析

在珠江口海域海洋光学浮标实验中获取一次聚生角毛藻赤潮生消过程的水体光学数据和相应的生化数据.利用该数据,分析了赤潮生消过程中水体光谱吸收和后向散射等光学性质的时间序列变化.研究发现,在赤潮生消过程中,浮游植物色素、非藻类颗粒物以及黄色物质等水体组分吸收变化显著,赤潮爆发期各组分光谱吸收增强并达到最大值,赤潮消亡期各组分...     

水色要素垂直分布对其遥感反演算法精度的影响

基于辐射传输模型模拟得到叶绿素和悬浮颗粒物在不同垂直分布条件下的遥感反射率数据集,利用该数据集对现有叶绿素、悬浮颗粒物浓度和固有光学量模型进行检验,研究了垂直分布对遥感反演算法反演精度的影响。结果表明：在悬浮颗粒物垂直分布、叶绿素及其垂直分布的影响下,悬浮颗粒物波段比值模型高估的悬浮颗粒物浓度要大于单波段模型;叶绿素波段比值模型和三波段模型能够较好地降低由叶绿素垂直分布、悬浮颗粒物及其垂直分布引起的叶绿素浓度高估的程度。悬浮颗粒物和叶绿素及其垂直分布对固有光学量反演具有双重效应,悬浮颗粒物垂直分布将使得吸收系数和后向散射系数被高估,而叶绿素垂直分布将使得吸收系数和后向散射系数被低估。在悬浮颗粒物和叶绿素共同作用下,固有光学反演结果具有较大的不确定性。     

海洋激光雷达测量海中悬移质

研制了一套采用倍频YAG激光器的小型海洋激光雷达，用于测量海中悬移质浓度，2000年8月28日至9月5日，该系统安装于“东方红Ⅱ”号右舷下甲板，在渤海海区进行海中悬移质浓度现场测量，通过对18个站位的海洋激光雷达数据分析，获得的表层悬移质浓度与同步测量的海中悬移质浓度结果吻合较好。     

基于水体光谱特性的赤潮分布信息MODIS遥感提取

赤潮监测对于赤潮治理、预防,减少赤潮危害有着重要作用.通过分析东海赤潮多发区域实测遥感反射率曲线,比较赤潮水体与非赤潮水体的光谱特性差异,发展了一种针对MODIS传感器的赤潮水体分布信息遥感提取方法.应用实测资料对提取方法进行验证,发现在119组实测数据中,只有一组不能正确识别.将算法应用于MODIS卫星资料,对200...     

Fernald前向积分用于机载激光雷达气溶胶后向散射系数反演的理论研究

初步反演结果表明,Fernald前向积分法(FFIM)能够用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数的反演,但相应的理论解释没见国内外相关文献报道.根据合肥地基大气探测激光雷达2008年2月27日的探测数据模拟得到的机载激光雷达数据,对FFIE用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数的反演结果进行了定量分析,分析表明:当反演标定点的高度选在10 km左右时,FFIM能够用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演的主要原因有3个:1)Fernald前向积分方程(FFIE)分母中两项的差值一般远大于零, 关键词： 大气光学 Fernald前向积分法 机载大气探测激光雷达 气溶胶后向散射系数     

基于三维荧光的产麻痹性贝毒藻浓度监测研究

近年来,我国沿海赤潮发生的次数和面积持续增加,经济损失严重。根据赤潮的毒性特点,通常分为三类,分别为无毒赤潮、鱼毒性赤潮和有毒赤潮。其中有毒赤潮产生的毒素主要是麻痹性贝毒,其由于分布广,毒性强成为危害最大的生物毒素之一。根据麻痹性贝毒的摄入量不同,人类误食染毒的贝类后,身体各部位会出现刺痛或灼热的感觉,然后全身麻痹,严重者甚至在短时间内死亡。近年来,多地出现人类误食染毒的贝类后死亡的事件。麻痹性贝毒的摄入量主要取决于产麻痹性贝毒藻的浓度,因此,对产麻痹性贝毒藻浓度的监测就显着尤为重要。提出了用三维荧光光谱结合化学计量学方法建立产麻痹性贝毒藻定量分析模型。首先,利用F-4600荧光光度计采集微小亚历山大藻（Alexandrium minimum）、链状裸甲藻（Gymnodinium catenatum）和太平洋亚历山大藻（Alexandrium pacificum）三种典型的产麻痹性贝毒藻类三维荧光光谱数据,获取藻类样本的三维荧光光谱等高线图,并进行图谱分析;然后,利用不同激发波长下的发射光谱数据建立产麻痹性贝毒藻三维荧光光谱的串行表示模型,提取新的特征;最后,将新的特征数据分别作为粒子群优化最小二乘支持向量机算法（particle swarm optimization-least squares support vector machine, PSO-LSSVM）和偏最小二乘回归（partial least squares regression, PLSR）的输入,建立产麻痹性贝毒藻的定量分析模型。结果表明,运用粒子群优化最小二乘支持向量机算法建立的产麻痹性贝毒藻的定量分析模型普遍优于偏最小二乘回归算法。当激发波长选择460和530 nm,发射波长选择650～750 nm作为PSO-LSSVM的输入数据,建立的产麻痹性贝毒藻的定量分析模型效果最好,结果显示R_c=0.999 9,RMSEC=0.017 1,R_p=0.949 2,RMSEP=0.291 0。这体现出三维荧光光谱结合PSO-LSSVM定量分析模型可有效地监测活体产麻痹性贝毒藻的浓度数值,为产麻痹性贝毒藻浓度检测提供了一种在线检测的新方法。     

Remote Estimation of the Chlorophyll Concentration of Living Trees Using Laser-induced Fluorescence Imaging Lidar

Monthly variation in chlorophyll concentration of living ginko tree leaves 65 m away from a system was remotely estimated by a laser-induced fluorescence imaging lidar. The combination of a pulsed laser and a short-time gated CCD using an image intensifier made it possible to monitor the weak fluorescence signal from the ginko tree leaves as an image. By applying the experimental idea that a ratio of intensity of the chlorophyll fluorescence at 740 nm to that at 685 nm showed a linear correlation to the chlorophyll concentration, the fluorescence image of the ginko tree obtained by the lidar was converted to the chlorophyll concentration distribution image.     

基于LabVIEW实现的多光谱激光雷达数据采集与处理系统

针对激光雷达在物性信息探测方面的缺陷,提出了一种新型多光谱激光雷达用于地物探测,兼具三维空间探测能力和物性探测能力。随着探测波长增加,多光谱激光雷达数据采集与处理对整个系统的运行至关重要。根据多光谱激光雷达系统结构原理,基于图形化编程语言Lab-VIEW,进行数据采集与处理系统单元及整体设计,实现系统功能需求。通过实验运行,数据采集与处理系统的运行良好,同时多通道回波信号的采集也进一步验证了多光谱激光雷达的物性探测能力。     

载波调制激光雷达水下目标探测的仿真分析

激光雷达应用于水下目标探测,光信号受水体后向散射影响,导致目标对比度严重下降。一种以载波调制激光脉冲为探测信号的方法可实现对后向散射信号的抑制。利用基于蒙特卡罗的光子传输模型,模拟载波调制激光雷达水下目标探测的全过程。结果表明该方法对水下目标探测有明显改善,调制参数对探测性能有较大影响。     

Capability of Raman lidar for monitoring the variation of atmospheric CO2 profile

Lidar (Light detection and ranging) has special capabilities for remote sensing of many different behaviours of the atmosphere. One of the techniques which show a great deal of promise for several applications is Raman scattering. The detecting capability, including maximum operation range and minimum detectable gas concentration is one of the most significant parameters for lidar remote sensing of pollutants. In this paper, based on the new method for evaluating the capabilities of a Raman lidar system, we present an evaluation of detecting capability of Raman lidar for monitoring atmospheric CO$_{2}$ in Hefei. Numerical simulations about the influence of atmospheric conditions on lidar detecting capability were carried out, and a conclusion can be drawn that the maximum difference of the operation ranges caused by the weather conditions alone can reach about 0.4 to 0.5km with a measuring precision within 30ppmv. The range of minimum detectable concentration caused by the weather conditions alone can reach about 20 to 35 ppmv in vertical direction for 20000 shots at a distance of 1 km on the assumption that other parameters are kept constant. The other corresponding parameters under different conditions are also given. The capability of Raman lidar operated in vertical direction was found to be superior to that operated in horizontal direction. During practical measurement with the Raman lidar whose hardware components were fixed, aerosol scattering extinction effect would be a significant factor that influenced the capability of Raman lidar. This work may be a valuable reference for lidar system designing, measurement accuracy improving and data processing.