同时探测海洋生物泵固碳效率和环境动力学参数的激光雷达系统及反演方法

技术领域

本发明涉及海洋光学探测领域，具体涉及一种同时探测海洋生物泵固碳效率和环境动力学参数的激光雷达系统及反演方法。

背景技术

海洋生物泵即海洋浮游植物的光合作用产生颗粒有机碳(Particulate OrganicCarbon,POC)并通过浮游动物摄食、颗粒物沉降等一系列生物学过程，将颗粒有机碳从上层水体向深层水体乃至海底转移的过程，其在调节大气中CO

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开一种同时探测海洋生物泵固碳效率和环境动力学参数的激光雷达系统及反演方法，该系统结合米散射、布里渊散射强度信息以及布里渊散射光谱(频移和线宽)信息，针对当前海洋碳循环和动力环境参数的探测需求，重点探测真光层内生物泵固碳效率和环境动力学参数垂直剖面分布。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种同时探测海洋生物泵固碳效率和环境动力学参数的激光雷达系统，该系统包括垂直偏振光发射子系统、分光镜一、光电探测器一、反射镜一、望远镜、反射镜二、带通滤光片、分光镜二、反射镜三、光电探测器二、分光镜三、反射镜四、法布里-珀罗干涉仪一、光电探测器三、聚焦透镜、针孔滤波器、扩束透镜、法布里-珀罗干涉仪二、ICCD采集子系统、自适应增益控制器、数据采集卡、数字延时脉冲发生器和计算机；

其中，所述垂直偏振光发射子系统发射532nm的窄线宽激光脉冲；

所述分光镜一和反射镜一组成分光单元一，所述分光镜一用于将激光分成两束，其中一束被光电探测器一接收，由所述光电探测器一实时监测所述垂直偏振光发射子系统发射激光脉冲功率的稳定性；另一束经所述反射镜一后入射到海水中产生后向散射信号；

所述望远镜用于接收激光脉冲在海水中产生的后向散射信号；

所述反射镜二、带通滤光片、分光镜二和反射镜三组成分光单元二，所述望远镜接收的后向散射信号依次经所述反射镜二和带通滤光片后入射到所述分光镜二，所述分光镜二将光束分成两束，一束经所述反射镜三进入所述光电探测器二，另一束进入到由所述分光镜三、反射镜四组成的分光单元三；

所述分光镜三将光束分为两束，一束依次经反射镜四、法布里-珀罗干涉仪一后被所述光电探测器三接收，另一束入射到由所述聚焦透镜、针孔滤波器、扩束透镜组成的准直滤波单元；回波信号经所述聚焦透镜聚焦后，由所述针孔滤波器过滤掉后向散射信号中的杂散光后，经所述扩束透镜进入所述ICCD采集子系统；

自适应增益控制器、数据采集卡组成数据采集单元，所述自适应增益控制器用于控制所述光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三的增益系数；所述光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三和ICCD采集子系统采集的信号经所述数据采集卡采集后进入所述计算机，由所述计算机实时校正和处理数据采集卡接收的激光雷达回波数据；所述数字延时脉冲发生器用于控制所述垂直偏振光发射子系统和ICCD采集子系统的时间延迟。

进一步地，所述带通滤光片的中心波长为532nm，透过率大于90％，短波截止范围：200-520nm，长波截止范围：540-1200nm。

一种同时探测海洋生物泵固碳效率和环境动力学参数的反演方法，该方法基于激光雷达系统来实现，该反演方法包括：

S1：所述垂直偏振光发射子系统发射的波长为λ的激光脉冲经海表入射到海洋水体中，海洋水体中产生的后向散射信号被所述望远镜接收后，分为混合接收通道、布里渊散射强度信息接收通道和布里渊散射频谱信息接收通道，并对接收到的米散射强度信息、布里渊散射强度信息和布里渊散射频谱信息进行预处理，保留水体的后向散射信号，获得深度z处的水体颗粒物后向散射信号S

S2：分别计算沿激光雷达轨迹的海洋生物泵固碳效率E

进一步地，所述S2中沿激光雷达轨迹的海洋生物泵固碳效率E

(1)采用下式计算深度z处的海洋水体激光雷达衰减系数K

其中，S

(2)采用下式计算海洋水体在π弧度的体散射系数

其中，S

(3)计算在深度z处时，沿激光雷达轨迹的海洋水体颗粒物后向散射系数

其中，χ为

(4)基于水体颗粒物后向散射系数

(5)将海洋水体浮游植物碳生物量垂直剖面

基于水体颗粒物后向散射系数

其中，a1、a2均为水体颗粒物后向散射系数

(6)计算真光层内的生物泵固碳效率E

进一步地，计算沿激光雷达轨迹的海洋环境动力学参数垂直剖面包括如下子步骤：

(1)对ICCD采集子系统采集的干涉圆环进行灰度处理，获得灰度图像；

(2)采用自适应中值滤波器对灰度图像进行处理，滤除灰度图像中的椒盐噪声；

(3)对自适用中值滤波器处理后的图像进行二值函数处理，确定最优的二值化阈值并得到二值化图像；并对二值化图像进行边缘处理，获得最优边缘函数处理图像；然后采用自适应阈值处理函数，获得边缘算法的最优阈值参数，对最优边缘函数处理图像进行圆环识别，分别获得1级弹性散射圆环半径

采用柱透镜光束传输函数对自适用中值滤波器处理后的图像进行仿真处理，得到不同干涉圆环的点状谱强度分布图像，获得布里渊散射线宽Γ

其中，r

(4)重复步骤(1)～(3)，计算在深度Z处盐度为S、海水温度为T时的布里渊散射频移Δv

其中，n(S,T,Z)是在深度为Z、盐度为S、海水温度为T的海水折射率，V

本发明的有益效果如下：

本发明的同时探测海洋生物泵固碳效率和环境动力学参数的激光雷达系统及反演方法，基于米散射强度信息、布里渊散射强度信息和布里渊散射光谱信息，可以实现海洋生物泵固碳效率和环境动力学参数(温度、盐度)垂直剖面的同步探测，有利于推动海洋碳循环、生态系统碳汇、海洋动力环境过程(如涡旋、跃层、上升流等)、海洋生物资源可持续利用等方面的研究。

附图说明

图1为本发明实施例的同时探测海洋生物泵固碳效率和环境动力学参数的激光雷达系统的原理图。

图中，垂直偏振光发射子系统1、分光镜一2、光电探测器一3、反射镜一4、海水5、望远镜6、反射镜二7、带通滤光片8、分光镜二9、反射镜三10、光电探测器二11、分光镜三12、反射镜四13、法布里-珀罗干涉仪一14、光电探测器三15、聚焦透镜16、针孔滤波器17、扩束透镜18、法布里-珀罗干涉仪二19、ICCD采集系统20、自适应增益控制器21、数据采集卡22、数字延时脉冲发生器23、计算机24。

图2为本实施例的同时探测海洋生物泵固碳效率和环境动力学参数的反演方法的流程图。

图3为本发明的不同边缘函数处理干涉圆环的结果。

图4为干涉圆环识别结果。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的一种探测海洋生物泵固碳效率和环境动力学参数的激光雷达系统，包括：垂直偏振光发射子系统1、分光镜一2、光电探测器一3、反射镜一4、望远镜6、反射镜二7、带通滤光片8、分光镜二9、反射镜三10、光电探测器二11、分光镜三12、反射镜四13、法布里-珀罗干涉仪一14、光电探测器三15、聚焦透镜16、针孔滤波器17、扩束透镜18、法布里-珀罗干涉仪二19、ICCD采集子系统20、自适应增益控制器21、数据采集卡22、数字延时脉冲发生器23、计算机24。

垂直偏振光发射子系统1发射532nm的窄线宽激光脉冲。

分光镜一2和反射镜一4组成分光单元一，分光镜一2用于将激光分成两束，其中一束被光电探测器一3接收，另一束经反射镜一4后入射到海水5中产生后向散射信号；

光电探测器一3用于实时监测垂直偏振光发射子系统1发射激光脉冲功率的稳定性。

望远镜6用于接收激光脉冲在海水中产生的后向散射信号。

带通滤光片8用于滤除激光雷达回波信号中的背景噪声和杂散光。带通滤光片8将背景噪声和杂散光滤除后，光束进入分光单元二。作为优选，带通滤光片8的中心波长为532nm，透过率大于90％，短波截止范围：200-520nm，长波截止范围：540-1200nm。

反射镜二7、带通滤光片8、分光镜二9和反射镜三10组成分光单元二，望远镜接收到后向散射信号后，依次经反射镜二7和带通滤光片8后入射到分光镜二9，分光镜二9将光束分成两束，一束经反射镜三10进入光电探测器二11，由光电探测器二接收米散射和布里渊散射的强度信息，另一束进入到分光单元三；

分光镜三12和反射镜四13组成分光单元三，分光镜三12将光束分为两束，一束依次经反射镜四13和法布里-珀罗干涉仪一14后被光电探测器三15接收布里渊散射的强度信息，另一束入射到准直滤波单元。

聚焦透镜16、针孔滤波器17和扩束透镜18组成准直滤光单元，回波信号经聚焦透镜16后进入针孔滤波器17，针孔滤波器17过滤掉后向散射信号中的杂散光后，经扩束透镜18进入ICCD采集子系统；

自适应增益控制器21和数据采集卡22组成数据采集单元，自适应增益控制器21控制光电探测器一3、光电探测器二11和光电探测器三15的增益系数，光电探测器一3、光电探测器二11、光电探测器三15和ICCD采集子系统20采集的信号经数据采集卡22采集后进入计算机24中，计算机24用于实时校正和处理数据采集卡22接收的激光雷达回波数据。

数字延时脉冲发生器23，控制垂直偏振光发射子系统1和ICCD采集子系统20的时间延迟。

本发明的同时探测海洋生物泵固碳效率和环境动力学参数的反演方法，如图2所示，具体包括如下步骤：

S1：垂直偏振光发射子系统1发射的波长为λ的激光脉冲经海表入射到海洋水体5中，海洋水体5中产生的后向散射信号被望远镜6接收后，分为混合接收通道、布里渊散射强度信息接收通道和布里渊散射频谱信息接收通道，并对接收到的米散射强度信息、布里渊散射强度信息和布里渊散射频谱信息进行预处理，保留水体的后向散射信号，获得深度z处的水体颗粒物后向散射信号S

S2：分别计算沿激光雷达轨迹的海洋生物泵固碳效率E

其中，沿激光雷达轨迹的海洋生物泵固碳效率E

(1)计算深度z处的海洋水体激光雷达衰减系数K

其中，S

(2)基于布里渊散射强度信息获得的海洋水体激光雷达衰减系数K

其中，S

(3)计算在深度z处时，沿激光雷达轨迹的海洋水体颗粒物后向散射系数

其中，χ为

(4)基于水体颗粒物后向散射系数

(5)基于海洋水体浮游植物碳生物量垂直剖面

基于水体颗粒物后向散射系数

其中，a1、a2均为水体颗粒物后向散射系数

(6)基于真光层内的颗粒有机碳输出通量

其中，计算沿激光雷达轨迹的海洋环境动力学参数(温度、盐度)垂直剖面包括如下子步骤：

(1)对ICCD采集子系统采集的干涉圆环S

(2)采用自适应中值滤波器对灰度图像

(3)对自适用中值滤波器处理后的图像

由于ICCD采集子系统对光强的敏感度较高，而柱透镜又具有光束汇聚作用，为了降低光强对ICCD采集子系统感光单元的损伤风险，采用柱透镜光束传输函数对自适用中值滤波器处理后的图像

其中r

(4)重复步骤(1)～(3)，计算在深度Z处盐度为S、海水温度为T时的布里渊散射频移Δv

其中，n(S,T,Z)是在深度为Z、盐度为S、海水温度为T的海水折射率，V

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。