[發明專利]一種基于解析模型的海洋激光雷達多次散射衰減校正方法

在審

• 申請號: 202211090049.1
• 申請日: 2022-09-07
• 公開（公告）號: CN115327518A
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 劉東;陳亞佟;劉群;崔曉宇
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01S7/497
• 分類號: G01S7/497
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 彭劍

本發明公開了一種基于解析模型的海洋激光雷達多次散射衰減校正方法，包括：基于準單次散射小角度近似理論構建海洋激光雷達輻射傳輸解析模型，模擬不同水體環境和激光雷達硬件條件下的回波信號；構建激光雷達有效衰減系數與雷達參數和水體固有光學特性之間的數值關系，并利用漫射衰減系數系數的經驗表達式構建多次散射衰減校正方法；根據海洋激光雷達的探測體制，選擇不同的反演算法計算隨深度分布的激光雷達有效衰減系數，利用激光雷達有效衰減系數數值模型反演水體固有光學特性，消除多次散射效應在深度上的影響，獲得高精度的水體光學特性垂直剖面。利用本發明，能夠大幅提高提升海洋水體組分的反演精度。

技術領域

本發明屬于海洋激光雷達技術領域，尤其是涉及一種基于解析模型的海洋激光雷達多次散射衰減校正方法。

背景技術

激光雷達技術能夠探測水體光學特性(如吸收特性和散射特性等)的垂直分布，是獲取水體生物組分信息的重要手段，在全球海洋生態系統立體觀測和生物地球化學以及海洋碳循環的研究中發揮重要作用。

如公開號為CN113219496A一種星載海洋大氣參數激光雷達探測系統，包括：激光雷達信息獲取模塊、探測試驗模塊、水層衰減系數獲取模塊、后向散射系數獲取模塊、中央控制模塊、總吸收系數獲取模塊、反演參數模型構建模塊、相對誤差模型構建模塊、最優雙波長確定模塊、激光雷達探測模塊。該系統使用雙波長海洋高光譜分辨率激光雷達進行探測，獲取激光雷達的信息以及通過探測得到水層衰減系數、后向散射系數，從而實現總吸收系數的獲取；擇優選取海洋激光雷達的兩個波長，提高葉綠素和CDOM吸收系數的反演精度，可以實現大范圍的探測海洋上空的大氣溫度、濕度、密度參數分布信息的準確獲取。

然而，在海水介質中，激光的傳輸伴隨著復雜的多次散射過程。在多次散射效應的作用下，激光雷達有效衰減系數與水體光學特性之間的關系將變得復雜，這使得激光雷達反演水體光學特性的精度受到很大影響。

現有研究表明，在假定激光雷達有效衰減系數為常數的情況下，當水體的光束衰減系數與接收視場的海面腳斑半徑之間的乘積大于5時，激光雷達有效衰減系數將趨近于漫射衰減系數。然而在實際探測中，由于激光脈沖受多次散射效應影響，在時間和空間上均會發生展寬，即便在均勻水體中，不同水深處的激光雷達有效衰減系數也并不一致。簡單將其等同于漫射衰減系數會給水體光學特性垂直剖面的反演帶來不可忽視的誤差。

因此，亟需發展一種能夠校正多次散射對不同深度處激光雷達有效衰減系數影響的方法，從而實現水體光學特性剖面的準確反演，提升激光雷達對于海洋水體的探測能力，增進對全球海洋光學特性的認知。

發明內容

針對現有海洋激光雷達中多次散射效應影響水體光學特性垂直剖面反演精度的問題，本發明提供了一種基于解析模型的海洋激光雷達多次散射衰減校正方法，能夠大幅提高船載激光雷達反演水體光學特性剖面的精度。

一種基于解析模型的海洋激光雷達多次散射衰減校正方法，包括：

(1)根據激光雷達系統參數，基于準單次散射小角度近似理論，構建海洋激光雷達的輻射傳輸解析模型，用于模擬得到激光雷達回波信號；

(2)設置多組不同的海水固有光學特性IOPs參數，分別固定吸收系數a和散射系數b，利用步驟(1)中的輻射傳輸解析模型模擬得到相應的激光雷達回波信號；

(3)求解步驟(2)中不同信號的激光雷達有效衰減系數k_lidar，分析水體參數對于激光雷達有效衰減系數的影響；擬合激光雷達有效衰減系數k_lidar與水體固有光學特性IOPs及水深z之間的數值關系，確定k_lidar-IOPs-z的數值模型表達式；