一种双波长海洋激光雷达探测的波长择优方法技术

本发明专利技术公开了一种双波长海洋激光雷达探测的波长择优方法，属于激光雷达技术领域，首先，根据水体吸收公式建立了叶绿素浓度和CDOM浓度的反演模型；其次，根据相对误差传递公式和反演模型建立了参数的相对误差模型；之后在双波长随机情况下建立了叶绿素浓度和CDOM浓度反演误差与双波长选择的关系图，对双波长进行择优；再将第一波长固定在532nm，通过在不同初始a

【技术实现步骤摘要】
一种双波长海洋激光雷达探测的波长择优方法
本专利技术属于激光雷达
，尤其是涉及一种双波长海洋激光雷达探测叶绿素和CDOM吸收系数的波长择优方法。
技术介绍
海洋覆盖了地球的71％以上，在全球生态系统和气候变化中扮演着非常重要的角色。所以对海洋的探测显得尤为重要。目前有以下几种方法来检测海洋内部。原位方法如透射仪和散射仪等，可以准确地获取海洋信息，但效率受到限制。基于飞机或卫星的海洋彩色遥感(例如“海洋宽视野传感器”)能够长期有效地收集全球数据。然而，垂直分布状况探测能力不足和对自然光的依赖性限制了其应用。声学被广泛用于对海水进行剖析，但是由于空气-水界面的大量损失，它们只能在水下平台上工作。激光雷达受平台和自然光的限制较少，是一种对海水进行剖面探测的有效方法，具备高时空分辨率、昼夜连续观测、全球尺度测量等优势。到目前为止，海洋激光雷达已能够成功应用于生物探测、浮游植物层分布研究、浅海地形测绘、海洋内波探测等相关研究。目前，激光雷达中广泛使用单波长来探测海洋。此外，几乎所有的工作波长都是532nm，这是Nd：YAG激光器的二次谐波波长。例如，正交偏振云气溶胶激光雷达是一种简单的弹性后向散射激光雷达，发射波长为532和1064nm，但是对于1064nm，其在水中的衰减太大，无法提供有用的水下信息。532nm的高光谱分辨率激光雷达(HSRL)是一种更先进的激光雷达，它可以独立分离衰减和反向散射。当海水为仅包含水分子和浮游植物的I类水时，单波长激光雷达可以使用现有的生物光学模型获得叶绿素a。然而，如果海水中还存在诸如有色溶解有机物(CDOM)之类的复杂物质，则仅通过使用一个波长就无法准确获得叶绿素a，而多波长激光雷达是解决这一问题的方法之一。Gray等人开发了一种多波长激光雷达，证明了激光雷达波长与水类型之间的关系，但激光雷达仍处于实验室使用阶段，并未用于检测叶绿素a。Hoge提出了双波长激光雷达的想法来解决这个问题，但是他没有提供关于波长选择的建议。Hostetler等提议使用355nm和532nm的波长，但是，选择355nm和532nm是因为它们是Nd：YAG激光器的二次谐波和三次谐波波长，但并未证明它们是最佳波长。
技术实现思路
本专利技术提出了一种双波长海洋激光雷达探测的波长择优方法，对双波长激光雷达的两个波长进行择优，可获得最佳的叶绿素和CDOM吸收系数反演精度。一种双波长海洋激光雷达探测的波长择优方法，包括以下步骤：(1)基于双波长海洋高光谱分辨率激光雷达进行探测，利用激光雷达参量参数中的180度体积散射函数和激光雷达衰减系数，得到双波长下的总吸收系数a(λ1)和a(λ2)；(2)利用反演算法得到叶绿素的反演参数模型C和有色溶解有机物CDOM的反演参数模型ag(λ1)，其中，C是叶绿素浓度，ag(λ1)是CDOM在第一波长下的吸收系数；(3)根据相对误差传递公式和反演参数模型得出叶绿素的相对误差模型εC和有色溶解有机物CDOM的相对误差模型(4)根据波长和误差的关系得到双波长任意时的择优方案；再通过改变参数设置得到激光雷达的第一波长λ1取定为532nm时，第二波长λ2对反演误差的影响，从而得到单波长固定时的择优方案。本专利技术中，所述的双波长海洋高光谱分辨率激光雷达包括激光发射系统、接收系统、锁频系统、滤波系统、数据采集及处理系统；其中，激光发射系统中使用两种不同波长的激光进行探测，根据不同激光波长的回波信号进行后续的波长择优计算。步骤(1)中，双波长海洋高光谱分辨率激光雷达同时测量两个波长的水体总吸收系数，水体总吸收系数通过激光雷达衰减系数和后向散射系数得出，其中，后向散射系数通过转换因子从180度体积散射函数中获取；双波长下的总吸收系数a(λ1)和a(λ2)计算表达式为：式中，aw(λ)是纯水各波长吸收系数，λ1为激光雷达的第一波长，λ2为激光雷达的第一波长；A(λ)是叶绿素a的比吸收系数；C是叶绿素a的浓度；E(λ)是叶绿素a的指数吸收系数；S为光谱吸收斜率，单位为nm-1；λ0是参考波长；ag(λ0)是CDOM在参考波长下的吸收系数。步骤(2)中，叶绿素的反演参数模型C和有色溶解有机物CDOM的反演参数模型ag(λ1)通过以下隐式函数的形式表示：步骤(3)中，叶绿素的参数相对误差模型εC计算过程为：采用经典的误差传播定律来估计C的相对误差，假设a(λ1)、a(λ2)的相对误差分别表示为Δ1a(λ1)、Δ2a(λ2)，C的相对误差表示为：其中：综合上述公式，得到：其中，Mg＝ag(λ1)/ag(λ2)、MC＝aph(λ1)/aph(λ2)、ME＝E(λ1)/E(λ2)。有色溶解有机物CDOM的参数相对误差模型计算过程为：采用经典的误差传播定律来估计ag(λ1)的相对误差：其中，综合上述公式，得到：步骤(4)中，双波长任意时的择优方案确定方法具体如下：对双波长同时进行随机后作出双波长与反演误差的关系图，在图中找到反演误差最小的点，其对应的双波长即为最优的双波长。单波长固定时的择优方案确定方法具体如下：取定激光雷达的第一波长λ1为532nm，在取定初始ag(λ1)、初始叶绿素浓度、光谱吸收斜率S值的情况下，作第二波长与反演误差的关系图，反演误差最小时对应的第二波长即为最优波长。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术采用的是双波长的海洋激光雷达，建立参数相对误差的评价方法，择优选取海洋激光雷达的两个波长，提高叶绿素和CDOM吸收系数的反演精度。克服了传统单波长海洋激光雷达探测存在CDOM等复杂物质的水体时反演的不精确，以及传统双波长海洋激光雷达没有建立参数相对误差传递模型的不足，通过建立参数相对误差的评价方法，对双波长激光雷达的两个波长进行择优，可获得最佳的叶绿素和CDOM吸收系数反演精度。附图说明图1为本专利技术方法的流程示意图；图2为纯水、CDOM、浮游植物在不同波长下的吸收系数占比；图3为本专利技术实施例中蒙特卡洛法反演和模型反演的比对图；图4为本专利技术实施例中任意波长选择对误差的影响；图5为本专利技术实施例中λ1＝532时，λ2对误差的影响；图6为本专利技术实施例中不同C、ag(532)、S设置时反演的相对误差；图7为本专利技术实施例中测量误差对反演误差的影响；图8为本专利技术实施例中黄海收集的原位数据-吸收系数图；图9为本专利技术实施例中不同站点数据反演与实测结果比较图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。如图1所示，一种双波长海洋激光雷达探测的波长择优方法，包括以下步骤：步骤1，基于双波长海洋高光谱分辨率激光雷达，利用激光雷达参量参数——180度体积散射函数和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双波长海洋激光雷达探测的波长择优方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)基于双波长海洋高光谱分辨率激光雷达进行探测，利用激光雷达参量参数中的180度体积散射函数和激光雷达衰减系数，得到双波长下的总吸收系数a(λ

【技术特征摘要】
1.一种双波长海洋激光雷达探测的波长择优方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基于双波长海洋高光谱分辨率激光雷达进行探测，利用激光雷达参量参数中的180度体积散射函数和激光雷达衰减系数，得到双波长下的总吸收系数a(λ1)和a(λ2)；
(2)利用反演算法得到叶绿素的反演参数模型C和有色溶解有机物CDOM的反演参数模型ag(λ1)，其中，C是叶绿素浓度，ag(λ1)是CDOM在第一波长下的吸收系数；
(3)根据相对误差传递公式和反演参数模型得出叶绿素的相对误差模型εC和有色溶解有机物CDOM的相对误差模型
(4)根据波长和误差的关系得到双波长任意时的择优方案；再通过改变参数设置得到激光雷达的第一波长λ1取定为532nm时，第二波长λ2对反演误差的影响，从而得到单波长固定时的择优方案。


2.根据权利要求1所述的双波长海洋激光雷达探测的波长择优方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的双波长海洋高光谱分辨率激光雷达包括激光发射系统、接收系统、锁频系统、滤波系统、数据采集及处理系统；其中，激光发射系统中使用两种不同波长的激光进行探测，根据不同激光波长的回波信号进行后续的波长择优计算。


3.根据权利要求1所述的双波长海洋激光雷达探测的波长择优方法，其特征在于，步骤(1)中，双波长海洋高光谱分辨率激光雷达同时测量两个波长的水体总吸收系数，水体总吸收系数通过激光雷达衰减系数和后向散射系数得出，其中，后向散射系数通过转换因子从180度体积散射函数中获取；双波长下的总吸收系数a(λ1)和a(λ2)计算表达式为：



式中，aw(λ)是纯水各波长吸收系数，λ1为激光雷达的第一波长，λ2为激光雷达的第一波长；A(λ)是叶绿素a的比吸收系数；C是叶绿素a的浓度；E(λ)是叶绿素a的指数吸收系数；S为光谱吸收斜率，单位为nm-1；λ0是参考波长；ag(λ0)是CDOM在参考波长下的吸收系数。
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘东，张强波，凌乔吕，刘若然，周雨迪，陈扬，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33