船载海洋高光谱分辨率激光雷达高精度遥感海水光学特性剖面真相究竟是什么？

近日，浙江大学光电科学与工程学院刘东教授、刘崇教授研究团队，联合浙江大学海洋学院等单位，共同开发了船载海洋高光谱分辨率激光雷达(high-spectral-resolution lidar, HSRL)系统及方法，解决了限制海洋弹性后向散射激光雷达精度的不适定问题和激光辐射传输的多次散射难题，实现了海水光学参数立体剖面的高精度激光遥感。

该研究成果以“Shipborne oceanic high-spectral-resolution lidar for accurate estimation of seawater depth-resolved optical properties”为题于2022年9月2日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》。

背景介绍

激光雷达技术在海洋遥感方面具有独特的能力，在白天和夜间均可提供上层水体光学特性的连续剖面信息。该技术提高了人们对海洋生态系统和生物地球化学过程的理解，包括海洋动物的日际垂直迁移、碳循环、极地浮游植物生物量的年度循环、浮游植物层的形成机理和南极春季冰边水华等。此外，当下许多科学研究，例如中尺度涡旋和极地地区的海洋生态系统变化研究，仍然缺乏连续的、长期的剖面数据，因此激光雷达技术拥有广阔的应用前景。然而，常用弹性后向散射激光雷达需要从一次测量中计算出漫射衰减系数和颗粒后向散射系数两个未知数，这导致了一个不适定问题;而激光在海水中传播伴随着不可忽略的多次散射效应，进一步增大了海水光学特性的反演难度。

文章亮点

浙江大学光电科学与工程学院研究团队研制了船载海洋HSRL(图1)，它向海水发射激光脉冲，收集后向散射激光雷达信号，反演海水光学特性剖面信息，包括颗粒物后向散射系数和漫射衰减系数。该系统采用超稳频极窄线宽激光、高精度温控碘分子鉴频器、精准脉冲激光锁频等一系列关键技术，在混合通道信号外再获得一个分子通道信号，从而无需先验假设激光雷达比即可实现高精度反演。此外，研究还基于自主研发的辐射传输模型校正了多次散射对回波信号的影响，进一步提高了激光雷达的反演精度。

图1 船载海洋HSRL基本原理

2020年9月，团队使用海洋HSRL在东海和南海沿岸区域开展了航程近800 km的长距离观测实验，获得了我国近海中等浑浊水域到开阔清澈海域的光学特性垂直剖面信息(图2)。研究表明，中国近海的光学特性剖面主要受浮游植物、有色可溶性有机物和悬浮泥沙等物质影响，在浙江沿岸因东海大陆架较多的悬浮泥沙表现出浑浊特性，在台湾海峡区域因东海沿岸流和台湾暖流锋面及台湾浅滩的影响而波动较大，在南海区域则因更大的深度而比较清澈。实验期间还观测到由于水底深度变化导致的水下悬浮泥沙层深度变化的现象。

图2 HSRL在中国东海及南海走航获得的剖面信息

航次期间，采用船载HSRL在南海石梅湾附近开展了24小时长时序固定站观测，获取了散射薄层垂向分布的昼夜变化(图3)。研究结果首次展示了在固定站点采用激光雷达获取的三个水下散射薄层信息，它们在24小时内出现了层次强度波动、层次合并以及层次深度变化等现象，显示出激光雷达强大的观测能力。此外，采用卫星合成孔径雷达数据证明，这些层次很可能由海洋内波引起，采用原位水下温盐剖面异常数据证明，这些层次的强度波动与上升流过程相关，展示了激光雷达用于海洋物理与生物学相互作用研究的独特优势。

图3 HSRL在中国南海固定站点昼夜连续测量结果

基于本次航次实验数据，通过与海洋弹性后向散射激光雷达方法以及原位仪器进行对比，检验了海洋HSRL的数据一致性(图4)。结果表明，采用HSRL进行探测，漫射衰减系数偏差低至5.6%，颗粒物后向散射系数偏差低至9.1%，与弹性后向散射激光雷达方法相比，两者精度分别提高了2.7~13.5和4.9~44.1 。通过 HSRL 技术解决激光雷达方程的不适定问题，采用基于自主研发的辐射传输模型校正了多次散射对回波信号的影响后，本文提出的方法展现出较高的可靠性和先进性。

图4 船载海洋HSRL一致性检验结果

总结与展望

本研究展示的海洋HSRL仪器和方法极大地提升了海洋立体激光遥感精度，展示了获得高精度海水连续剖面信息的强大能力。未来，本研究展示的仪器和方法将通过持续观测实验，验证星载海洋激光雷达任务，提高对海洋物理、生态系统和生物地球化学过程的认识。